(57)【要約】【課題】立体造形物を構成するモデル部からのサポート部の除去を容易にし、サポート部を除去するための長時間の後処理工程を省くことのできる、立体造形物の製造方法を提供する。【解決手段】粉体材料に造形用インクＢを塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、前記積層工程時、前記立体造形物９０を構成するモデル部９２とこれを支持するサポート部９３との間に、非造形用インクＡを塗布し、前記モデル部と前記サポート部との間に焼結阻害領域９４を形成することを特徴とする製造方法。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体材料に造形用インクＢを塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、
前記積層工程時、前記立体造形物を構成するモデル部とこれを支持するサポート部との間に、非造形用インクＡを塗布し、前記モデル部と前記サポート部との間に焼結阻害領域を形成することを特徴とする立体造形物の製造方法。
【請求項２】
前記焼結阻害領域が、前記非造形用インクＡの固形成分からなる薄膜によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項３】
前記非造形用インクＡが、セラミック前駆体を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項４】
前記セラミック前駆体が、前記非造形用インクＡに含まれる成分と反応することを特徴とする請求項３に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項５】
前記セラミック前駆体が、前記非造形用インクＡに含まれる成分と反応し、−Ｓｉ−Ｏ−結合を有する３次元ネットーワーク構造を形成することを特徴とする請求項４に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項６】
前記セラミック前駆体が、前記粉体材料の焼結温度以下の熱によりセラミック薄膜となることを特徴とする請求項４または５に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項７】
前記非造形用インクＡの塗布によって、前記非造形用インクＡに含まれる固形成分が、前記粉体材料間に介在することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
【請求項８】
前記非造形用インクＡが、セラミック粉末を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の立体造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉体材料を積層し造形物を作成する三次元造形方式 (以下粉末積層造形方式と言うことがある) は、レーザー焼結方式 (LS)、電子ビーム焼結方式 (EBM) 、バインダージェット方式に大別される。一般的にバインダージェット方式は、粉体材料を用い、インクジェットヘッドからバインダーインク（造形液）を塗布し、粉体材料を凝固させることで造形をする技術である。粉体材料としては、石膏、各種砂、金属、セラミック、ガラス等が挙げられる。またこれらの粉体材料に、水溶性有機材料を被覆し、造形液を塗布することで該水溶性有機材料を架橋させ、粉体材料同士を結合させる技術が知られている（例えば特許文献１参照）。粉体材料の造形後は、例えば未結合粉体材料を除去した後に焼結工程を行い、緻密構造体としての立体造形物を得ることができる。
【０００３】
しかし、前記のような従来の粉末積層造形方式では、焼結工程を行うと立体造形物の収縮が生じる。立体造形物の形状によっては、焼結の進行度の差や熱分布の差等から等方収縮せず、焼結による形状歪みを発生させてしまうという問題があった。この問題は、造形物の大きくなるほど、また形状が複雑になるほど顕著に表れる。このような歪みを抑制するためには、立体造形物を構成するモデル部の収縮するであろう箇所にサポート部を設けて焼結する手法が知られている。しかしながら、一般的にサポート部を構成するサポート材は焼結工程でモデル部と共に焼結されてしまうため、モデル部とサポート部が一体化し、サポート部を切削等の機械加工で除去する工程が必須となり、長時間の後処理工程が必要であるという問題点があった。
【０００４】
なお、特許文献２には、造形物の最外層に、造形物の内部に付与する結合剤量の１．０５〜５．０倍の結合剤を付与することを特徴とする三次元造形物の製造方法が開示されている。
また特許文献３には、造形ステージに向けて硬化性の造形材を吐出して造形材層を形成する際に、三次元造形物の輪郭内側部分を形成し、次いで、前記内側部分から斜め下方に向かって傾斜する傾斜部分を前記輪郭部分として形成する三次元造形方法が開示されている。
しかし、これらの従来技術では、前記のようなサポート部を除去するための長時間の後処理工程に関する問題点を解決することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、粉体材料に造形液を塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、前記立体造形物を構成するモデル部からの前記モデル部を支持するサポート部の除去を容易にし、サポート部を除去するための長時間の後処理工程を省くことのできる、立体造形物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、下記構成１）により解決される。
１）粉体材料に造形用インクＢを塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、
前記積層工程時、前記立体造形物を構成するモデル部とこれを支持するサポート部との間に、非造形用インクＡを塗布し、前記モデル部と前記サポート部との間に焼結阻害領域を形成することを特徴とする立体造形物の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、粉体材料に造形液を塗布し、前記粉体材料が結合した造形層を形成し、前記造形層を順次積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを有する立体造形物を製造する方法において、前記立体造形物を構成するモデル部からの前記モデル部を支持するサポート部の除去を容易にし、サポート部を除去するための長時間の後処理工程を省くことのできる、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】本発明の実施形態に係る立体造形装置の平面説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る立体造形装置の側面説明図である。
【図３】造形部の断面説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る立体造形装置の斜視説明図である。
【図５】造形部の斜視説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る立体造形装置の制御部のブロック図である。
【図７】本発明の実施形態に係る造形の流れの説明に供する模式的説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る別の造形の流れの説明に供する模式的説明図である。
【図９】立体造形物の一例の斜視図である。
【図１０】従来技術におけるモデル部とサポート部の状態を説明するための斜視図である。
【図１１】本発明におけるモデル部とサポート部の状態を説明するための斜視図である。
【図１２】非造形用インクＡの塗布パターンの一例を説明するための図である。
【図１３】非造形用インクＡの塗布パターンの一例を説明するための図である。
【図１４】造形用インクＢと非造形用インクＡの吐出方法の一例を説明するための図である。
【図１５】造形用インクＢと非造形用インクＡの吐出方法の別の例を説明するための図である。
【図１６】モデル部とサポート部との間に薄膜が形成されるメカニズムの一例を説明するための図である。
【図１７】モデル部とサポート部との間に薄膜が形成されるメカニズムの別の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る立体造形装置の第１例の概要について図１ないし図５を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の平面説明図であり、図２は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の側面説明図であり、図３は、造形部の断面説明図であり、図４は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の斜視説明図であり、図５は、造形部の斜視説明図である。
【００１０】
この立体造形装置は、粉体造形装置（粉末造形装置ともいう。）であり、粉体（粉体材料）が結合された層状造形物である造形層３０が形成される造形部１と、造形部１の層状に敷き詰められた粉体層３１に造形液１０（造形用インクＢ）を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５とを備えている。
【００１１】
造形部１は、粉体槽１１と、平坦化部材（リコータ）である回転体としての平坦化ローラ１２などを備えている。なお、平坦化部材は、回転体に代えて、例えば板状部材（ブレード）とすることもできる。
【００１２】
粉体槽１１は、粉体２０を供給する供給槽２１と、造形層３０が積層されて立体造形物が造形される造形槽２２とを有している。供給槽２１の底部は供給ステージ２３として鉛直方向（高さ方向）に昇降自在となっている。同様に、造形槽２２の底部は造形ステージ２４として鉛直方向（高さ方向）に昇降自在となっている。造形ステージ２４上に造形層３０が積層された立体造形物が造形される。
【００１３】
供給ステージ２３は、例えば図４に示すように、モータ２７によって矢印Ｚ方向（高さ方向）に昇降され、造形ステージ２４は、同じく、モータ２８によって矢印Ｚ方向に昇降される。
【００１４】
平坦化ローラ１２は、供給槽２１の供給ステージ２３上に供給された粉体２０を造形槽２２に供給し、平坦化部材である平坦化ローラ１２によって均して平坦化して、粉体層３１を形成する。
【００１５】
この平坦化ローラ１２は、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に沿って矢印Ｙ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、往復移動機構２５によって移動される。また、平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転駆動される。
【００１６】
一方、造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に造形液１０を吐出する液体吐出ユニット５０を備えている。
【００１７】
液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に搭載された２つ（１又は３つ以上でもよい。）の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という。）５２ａ、５２ｂを備えている。
【００１８】
キャリッジ５１は、ガイド部材５４及び５５に移動可能に保持されている。ガイド部材５４及び５５は、両側の側板７０、７０に昇降可能に保持されている。
【００１９】
このキャリッジ５１は、後述するＸ方向走査機構５５０によってモータ、プーリ及びベルトから構成される主走査移動機構を介して主走査方向である矢印Ｘ方向（以下、単に「Ｘ方向」という。他のＹ、Ｚについても同様とする。）に往復移動される。
【００２０】
２つのヘッド５２ａ、５２ｂ（以下、区別しないときは「ヘッド５２」という。）は、液体を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ２列配置されている。一方のヘッド５２ａの２つのノズル列は、シアン造形液及びマゼンタ造形液を吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、イエロー造形液及びブラック造形液をそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。
【００２１】
これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液の各々を収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブなどを介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。
【００２２】
また、キャリッジ５１には造形槽２２に１層の造形層３０を形成するときに、少なくとも当該造形液１０が付着した領域に粉体２０を供給する粉体後供給手段である粉体後供給部８０が一体に備えられている。
【００２３】
また、Ｘ方向の一方側には、液体吐出ユニット５０のヘッド５２の維持回復を行うメンテナンス機構６１が配置されている。
【００２４】
メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３で構成される。キャップ６２をヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイパ６３でワイピング（払拭）する。また、メンテナンス機構６１は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ６２で覆い、粉体２０がノズルに混入することや造形液１０が乾燥することを防止する。
【００２５】
造形ユニット５は、ベース部材７上に配置されたガイド部材７１に移動可能に保持されたスライダ部７２を有し、造形ユニット５全体がＸ方向と直交するＹ方向（副走査方向）に往復移動可能である。この造形ユニット５は、後述するＹ方向走査機構５５２によって全体がＹ方向に往復移動される。
【００２６】
液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に配置され、後述するＺ方向昇降機構５５１によってＺ方向に昇降される。
【００２７】
ここで、造形部１の詳細について説明する。
【００２８】
粉体槽１１は、箱型形状をなし、供給槽２１と造形槽２２の２つの上面が開放された槽を備えている。供給槽２１内部には供給ステージ２３が、造形槽２２内部には造形ステージ２４がそれぞれ昇降可能に配置される。
【００２９】
供給ステージ２３の側面は供給槽２１の内側面に接するように配置されている。造形ステージ２４の側面は造形槽２２の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ２３及び造形ステージ２４の上面は水平に保たれている。
【００３０】
粉体槽１１の周りには、図５に示すように、上面が開放された凹形状である粉体落下口２９が設けられている（図１ないし図３では省略）。粉体落下口２９には、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって供給される粉体２０のうちの余剰の粉体２０が落下する。粉体落下口２９に落下した余剰の粉体２０は供給槽２１に粉体を供給する粉体供給装置に戻される。
【００３１】
供給槽２１上には図６の粉体供給装置５５４が配置される。造形の初期動作時や供給槽２１の粉体量が減少した場合に、粉体供給装置５５４を構成するタンク内の粉体を供給槽２１に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。
【００３２】
平坦化ローラ１２は、供給槽２１から粉体２０を造形槽２２へと移送供給して、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である粉体層３１を形成する。
【００３３】
この平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の内寸（即ち、粉体が供される部分又は仕込まれている部分の幅）よりも長い棒状部材であり、往復移動機構２５によってステージ面に沿ってＹ方向（副走査方向）に往復移動される。
【００３４】
この平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転されながら、供給槽２１の外側から供給槽２１及び造形槽２２の上方を通過するようにして水平移動する。これにより、粉体２０が造形槽２２上へと移送供給され、平坦化ローラ１２が造形槽２２上を通過しながら粉体２０を平坦化することで粉体層３１が形成される。
【００３５】
また、図２にも示すように、平坦化ローラ１２の周面に接触して、平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去するための粉体除去部材である粉体除去板１３が配置されている。
【００３６】
粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２の周面に接触した状態で、平坦化ローラ１２とともに移動する。また、粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２が平坦化を行うときの回転方向に回転するときにカウンタ方向になる状態で配置されている。
【００３７】
本実施形態では、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の二つの槽を有する構成としているが、造形槽２２のみとして、造形槽２２に粉体供給装置から粉体を供給して、平坦化手段で平坦化する構成とすることもできる。
【００３８】
次に、上記立体造形装置の制御部の概要について図６を参照して説明する。図６は同制御部のブロック図である。
【００３９】
制御部５００は、この立体造形装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、造形データ等を一時格納するＲＡＭ５０３とを含む主制御部５００Ａを備えている。
【００４０】
制御部５００は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４を備えている。また、制御部５００は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ５０５を備えている。
【００４１】
制御部５００は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのＩ／Ｆ５０６を備えている。なお、造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。
【００４２】
制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むためのＩ／Ｏ５０７を備えている。
【００４３】
制御部５００は、液体吐出ユニット５０の各ヘッド５２を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８を備えている。
【００４４】
制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＸ方向（主走査方向）に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。
【００４５】
制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降機構５５１を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１１を備えている。なお、矢印Ｚ方向への昇降は造形ユニット５全体を昇降させる構成とすることもできる。
【００４６】
制御部５００は、供給ステージ２３を昇降させるモータ２７を駆動するモータ駆動部５１３と、造形ステージ２４を昇降させるモータ２８を駆動するモータ駆動部５１４を備えている。
【００４７】
制御部５００は、平坦化ローラ１２を移動させる往復移動機構２５のモータ５５３を駆動するモータ駆動部５１５と、平坦化ローラ１２を回転駆動するモータ２６を駆動するモータ駆動部５１６を備えている。
【００４８】
制御部５００は、供給槽２１に粉体２０を供給する粉体供給装置５５４を駆動する供給系駆動部５１７と、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動するメンテナンス駆動部５１８を備えている。
【００４９】
制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ５６０などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。
【００５０】
制御部５００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル５２２が接続されている。
【００５１】
なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置（粉体積層造形装置）６０１によって本発明に係る装置としての立体造型システムが構成される。
【００５２】
次に、造形の流れについて図７を参照して説明する。図７は造形の流れの説明に供する模式的説明図である。
【００５３】
造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態から説明する。
【００５４】
この造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図７（ａ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３をＺ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４をＺ２方向に下降させる。
【００５５】
このとき、造形槽２２の上面（粉体層表面）と平坦化ローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ１となるように造形ステージ２４の下降距離を設定する。この間隔Δｔ１が次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。間隔Δｔ１は、数十〜１００μｍ程度であることが好ましい。
【００５６】
次いで、図７（ｂ）に示すように、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を、平坦化ローラ１２を順方向（矢印方向）に回転しながらＹ２方向（造形槽２２側）に移動することで、粉体２０を造形槽２２へと移送供給する（粉体供給）。
【００５７】
さらに、図７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、図７（ｄ）に示すように、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さΔｔ１になる粉体層３１を形成する（平坦化）。粉体層３１を形成後、平坦化ローラ１２は、図７（ｄ）に示すように、Ｙ１方向に移動されて初期位置に戻される。
【００５８】
ここで、平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。一定に保って移動できることで、平坦化ローラ１２で粉体２０を造形槽２２の上へと搬送させつつ、造形槽２２上又は既に形成された造形層３０の上に均一厚さΔｔ１の粉体層３１を形成できる。
【００５９】
その後、図７（ｅ）に示すように、液体吐出ユニット５０のヘッド５２から造形液１０の液滴を吐出して、次の粉体層３１に造形層３０を積層形成する（造形）。
【００６０】
なお、造形層３０は、例えば、ヘッド５２から吐出された造形液１０が粉体２０と混合されることで、粉体２０に含まれる水溶性有機材料が造形液１０に含まれる架橋剤によって架橋され、粉体同士が結合されて形成される。
【００６１】
次いで、上述した粉体供給・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層３０を形成する。このとき、新たな造形層３０とその下層の造形層３０とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。
【００６２】
以後、粉体の供給・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。
【００６３】
次に、第二の例として、粉体層形成方法での造形の流れについて図８も参照して説明する。図８は造形の流れの説明に供する模式的説明図である。
【００６４】
ここでは、造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態から説明する。
【００６５】
この造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図８（ａ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３をＺ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４をＺ２方向に下降させる。
【００６６】
このとき、造形ステージ２４の下降距離は、Δｔ１よりも大きいことが望ましく、Δｔ１の２倍以下であることがより好ましい。間隔Δｔ１は次に形成する粉体層の厚さ（積層ピッチ）に相当する。間隔Δｔ１は、数十〜１００μｍ程度であることが好ましい。
【００６７】
この場合、平坦化ローラ１２は供給槽２１及び造形槽２２の上端面に対してギャップを置いて配置している。したがって、造形槽２２に粉体を移送供給して平坦化するとき、粉体層の表面（粉体面）は供給槽２１及び造形槽２２の上端面よりも高い位置になる。
【００６８】
これにより、平坦化ローラ１２が供給槽２１及び造形槽２２の上端面に接触することを確実に防止できて、平坦化ローラ１２の損傷が低減する。平坦化ローラ１２の表面が損傷すると粉体層の表面にスジが発生して平坦性が低下する。
【００６９】
次いで、図８（ｂ）に示すように、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を、平坦化ローラ１２を逆方向（矢印方向）に回転しながら造形槽２２側に移動することで、粉体２０を造形槽２２へと移送供給する（粉体供給）。
【００７０】
さらに、図８（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、造形ステージ２４の造形層上でΔｔ１よりも厚い粉体層３１を形成する。このとき、粉体層３１の形成に使用されなかった余剰の粉体は余剰粉体受け槽に落下する。
【００７１】
その後，図８（ｄ）に示すように、造形物と平坦化ローラの移動線との間隔がΔｔ１となるように，造形槽ステージ２４を上昇させ、供給槽ステージ２３を下降させる。
【００７２】
そして、図８（ｅ）に示すように、平坦化ローラ１２を矢印方向に回転させながら、供給槽２１側へと移動させ、余剰の粉末を供給槽２１に戻すことで、造形槽粉面を平坦化する。
【００７３】
平坦化ローラ１２の原点回帰時に供給槽２１を平坦化する第二の粉体層形成方法では、粉体搬送時の余剰の粉末が余剰粉末受け槽に運ばれる量を低減するだけでなく、粉体層の平滑性を良くし、粉体密度を高める効果がある。
【００７４】
その後、図８（ｇ）に示すように、液体吐出ユニットのヘッド５２から造形液１０の液滴を吐出して、次の粉体層に所要形状の造形層を積層形成する（造形）。このとき、造形液１０は、１つの区画に対して複数回に分けて吐出される。
【００７５】
なお、造形層は、例えば、ヘッドから吐出された造形液が粉体と混合されることで、粉体に含まれる水溶性有機材料が造形液に含まれる架橋剤によって架橋され、粉体同士が結合されて形成される。
【００７６】
次いで、上述した粉体供給・平坦化よる粉体層を形成する工程、ヘッドによる造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層を形成する。このとき、新たな造形層とその下層の造形層とは一体化して三次元形状造形物（立体造形物）の一部を構成する。
【００７７】
以後、粉体の供給・平坦化よる粉体層を形成する工程、ヘッドによる造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。
【００７８】
次に、上記立体造形装置で使用する立体造形用粉体材料（粉体）及び造形用インクＢ（造形液）の一例について説明する。なお、以下で説明する粉体及び造形液に限定されるものではない。
【００７９】
立体造形用粉体材料は、基材と、この基材を平均厚み５ｎｍ〜５００ｎｍで被覆し、造形液としての架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能な水溶性有機材料とを有してなる。
【００８０】
この立体造形用粉体材料においては、基材を被覆する水溶性有機材料が、架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能であるため、水溶性有機材料に架橋剤含有水が付与されると、水溶性有機材料は、溶解すると共に、架橋剤含有水に含まれる架橋剤の作用により架橋する。
【００８１】
これにより、上記立体造形用粉体材料を用いて薄層（粉体層）を形成し、粉体層に架橋剤含有水を造形液１０として吐出することで、粉体層においては、溶解した水溶性有機材料が架橋する結果、粉体層が結合硬化して造形層３０が形成される。
【００８２】
このとき、基材を被覆する水溶性有機材料の被覆量が平均厚みで５ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、これにより水溶性有機材料が溶解したときに基材の周囲に必要最小量だけ存在し、これが架橋して三次元ネットワークを形成するため、粉体層の硬化は寸法精度良く、かつ、良好な強度をもって行われる。
【００８３】
この操作を繰り返すことにより、簡便かつ効率的に、焼結等の前に型崩れが生ずることなく、寸法精度良く複雑な立体造形物を形成することができる。
【００８４】
−基材−
基材としては、最終的に焼結処理が可能な金属を選択する。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。
【００８５】
これらの材料は、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。
【００８６】
なお、基材として、これらの材料で形成された市販品の粒子ないし粉末を使用することができる。市販品としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ（山陽特殊鋼製、ＰＳＳ３１６Ｌ）、Ti (大阪チタニウム)などが挙げられる。
【００８７】
また、基材としては、水溶性有機材料との親和性を高める目的等で、公知の表面（改質）処理がされていてもよい。
【００８８】
−水溶性有機材料−
水溶性有機材料としては、水に溶解し、架橋剤の作用により架橋可能な性質を有するものであれば、換言すれば、水溶性であって架橋剤によって架橋可能である限り、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。
【００８９】
ここでは、水溶性有機材料の水溶性は、例えば、３０℃の水１００ｇに水溶性有機材料を１ｇ混合して撹拌したとき、その９０質量％以上が溶解するものを意味する。
【００９０】
また、水溶性有機材料としては、その４質量％（ｗ／ｗ％）水溶液の２０℃における粘度が、４０ｍＰａ・ｓ以下であるものが好ましく、１〜３５Ｐａ・ｓであるものがより好ましく、５〜３０ｍＰａ・ｓであるものが特に好ましい。
【００９１】
水溶性有機材料の粘度が、４０ｍＰａ・ｓ以下であることにより、立体造形用粉体材料に造形液である架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉体材料（粉体層）による硬化物（立体造形物、焼結用硬化物）の強度が充分となり、その後の焼結等の処理ないし取扱い時に型崩れ等の問題が生じにくい。また、立体造形用粉体材料に架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉体材料（粉体層）による硬化物（立体造形物、焼結用硬化物）の寸法精度が充分となる。
【００９２】
水溶性有機材料の粘度は、例えば、ＪＩＳ Ｋ７１１７に準拠して測定することができる。
【００９３】
−架橋剤含有水−
造形液である架橋剤含有水としては、水性媒体中に架橋剤を含有するもの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る。なお、架橋剤含有水は、水性媒体、架橋剤のほか、必要に応じて適宜選択したその他の成分を含有していてもよい。
【００９４】
その他の成分としては、架橋剤含有水を付与する手段の種類、使用頻度や量などの諸条件を考慮して適宜選択することができる。例えば、液体吐出法によって架橋剤含有水を付与する場合には、液体吐出ヘッドのノズルへの目詰り等の影響を考慮して選択することができる。
【００９５】
水性媒体としては、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン、などが挙げられるが、水が好ましい。なお、水性媒体は、水がアルコール等の水以外の成分を若干量含有するものであってもよい。
【００９６】
上述した立体造形物用粉体材料及び造形液としての架橋剤含有水を使用することで、粉体（基材）を接着させるためのバインダーを液体吐出ヘッドから吐出する構成に比べて、ノズルの目詰まりが少なく、ヘッドの耐久性が向上する。
【００９７】
本発明の製造方法は、立体造形物を構成するモデル部とこれを支持するサポート部との間に、前記モデル部から前記サポート部の除去を容易にする非造形用インクＡを塗布し、両者間に焼結阻害領域を形成することを特徴とする。非造形用インクＡは、従来公知の方法、例えばインクジェット法を用いたり、図１〜８で説明した立体造形装置に別の液体吐出ヘッドをさらに設け、非造形用インクＡを吐出することによりモデル部とサポート部との間に焼結阻害領域を形成することができる。
【００９８】
図９は、本発明の方法を説明するための立体造形物の一例の斜視図である。図９に示す立体造形物９０は、板材９１に対してオーバーハングしたアーチ９２が形成された造形物である。従来方法で造形を行う場合には、図１０のようにアーチ９２下部にアーチを支えるためのサポート材からなるサポート部９３が必要である。サポート部９３がない場合、アーチ９２の構造の形成は困難であり、仮に形成できたとしても、熱収縮により歪んだ形状となってしまう。また、サポート部９３は、前記のように造形物からサポート部９３を機械加工等により取り除く長時間の後処理工程が必要であり、機械加工不可な複雑な形状では、その形状を造形できない。
【００９９】
そこで本発明では、図１１に示すように、アーチ９２であるモデル部とサポート部９３との間に、非造形用インクＡを塗布し、両者間に焼結阻害領域を形成する。焼結阻害領域は、非造形用インクＡの固形成分からなる薄膜９４であるのが好ましい。このような薄膜９４は、セラミック粉末またはセラミック前駆体を含有する薄膜であるのがさらに好ましい。一般的に粉末積層造形方式では、造形層を順次積層し積層体を得た後、該積層体に焼結工程を行うことにより、緻密構造体を得ている。本発明の前記形態では、該焼結工程によりモデル部とサポート部との間にセラミック薄膜が形成され、モデル部とサポート部との焼結による固着が防止される。これにより、従来のような機械加工による後処理工程をすることなく、モデル部とサポート部との分離が容易となる。
【０１００】
非造形用インクＡとしては、セラミック前駆体を含有するものが挙げられる。セラミック前駆体は、加水分解によって−Ｓｉ−Ｏ−結合を有する３次元ネットーワーク構造を形成するものが好ましく、例えばオルトケイ酸テトラメチル (TEOS)のようなアルコキシシラン等が挙げられる。非造形用インクＡに含まれる前記セラミック前駆体は、例えば造形用インクＢに含まれる成分（具体的には水）と反応し、前記３次元ネットーワーク構造を形成することができる。
これとは別に、非造形用インクＡは、セラミック粉末を含むこともできる。セラミック粉末としては、例えばシリカ等が挙げられる。
【０１０１】
図１２および１３は、非造形用インクＡの塗布パターンの一例を説明するための図である。
図１２において、（ａ）は図９と同様に立体造形物の一例の斜視図であり、（ｂ）は板材９１とアーチ９２の境界部のＡ−Ａ線に沿った断面の平面図である。図１２（ｂ）において、サポート部９３の板材９１に面する部分全体に非造形用インクＡが塗布され、薄膜９４が形成されている。
図１３において、（ａ）は図９と同様に立体造形物の一例の斜視図であり、（ｂ）はアーチ９２のＢ−Ｂ線に沿った断面の平面図である。図１２（ｂ）において、サポート部９３とアーチ９２の接する面には、非造形用インクＡが塗布され、薄膜９４が形成されている。
薄膜９４の厚さは、非造形用インクＡの構成成分によって種々決定することが可能であるが、例えば、焼成工程後の厚さとして、少なくともvoxel単位でモデル部とサポート部とが隣接しない距離を設ける必要がある。ここでいう隣接とは、基準となるvoxelに対して前後上下左右だけでなく、斜め方向におけるvoxelも隣接に含む。このとき、画像パターンの形成、特にモデル部−薄膜−サポート部の界面部分の画像パターンの形成は、モデル部を第一優先とし、造形物の画像に合わせて薄膜の範囲を決定し、その後サポート部の画像を決定する。
【０１０２】
図１４は、造形用インクＢと非造形用インクＡの吐出方法の一例を説明するための図であり、図１５は、造形用インクＢと非造形用インクＡの吐出方法の別の例を説明するための図である。
図１４に示す形態では、造形用インクＢと非造形用インクＡが同時に粉体材料に吐出され、それぞれのインクが粉体材料２００中の所定の領域に濡れ広がる。
図１５に示す形態では、まず非造形用インクＡが吐出され、その後、造形用インクＢが吐出される。この形態では、非造形用インクＡが十分に粉体材料２００中の所定の領域に十分に濡れ広がった後に、造形用インクＢに含まれる水と接触するため、非造形用インクＡが、セラミック前駆体を含有する場合には、−Ｓｉ−Ｏ−結合を有する３次元ネットーワーク構造が形成され、焼結工程を経た後は、非造形用インクＡに含まれる固形成分が前記粉体材料間に介在することになり、モデル部からのサポート部の除去が容易となる。
【０１０３】
図１６は、モデル部とサポート部との間に薄膜が形成されるメカニズムの一例を説明するための図である。
図１６に示す形態では、非造形用インクＡがセラミック前駆体を含んでいる。造形用インクＢの吐出により、水が非造形用インクＡに供給され、−Ｓｉ−Ｏ−結合を有する３次元ネットーワーク構造が形成される。焼結工程を経た後は、非造形用インクＡに含まれる固形成分がセラミックに転移し、粉体材料間に介在し、モデル部からのサポート部の除去が容易となる。一般的にアルコキシシランのセラミック転移温度は、６００〜８００℃であり、金属からなる粉体材料の焼結温度（１０００℃以上）よりも十分に低い。したがって、モデル部とサポート部との焼結収縮が進行するよりも前に、かつ両者が固着するよりも前に、両者間にセラミック薄膜が形成され、モデル部からのサポート部の除去が容易となる。
【０１０４】
図１７は、モデル部とサポート部との間に薄膜が形成されるメカニズムの別の例を説明するための図である。
図１７に示す形態では、非造形用インクＡがセラミック粉末を含んでいる。
非造形用インクＡが吐出され乾燥する過程で、セラミックス粉末は粉体材料間に介在する。その後焼結収縮が進行する温度に達すると、セラミックス粉末によって接点を阻害された粉体材料は粒子間距離が離れているために焼結が進行せず互いの固着が阻害される。このようにして、モデル部とサポート部との間に非焼結領域を形成させ、その後の焼結工程を経て機械強度を低下させることで、モデル部とサポート部とを容易に分離することができる。
【０１０５】
本発明で使用できる各材料の具体例を以下に示すが、本発明は下記例に限定されない。
（１）
基材：SUS316L 平均粒径８μｍ
水溶性有機材料：ポリビニルアルコール  膜厚100 μｍ
造形用インクＢ：水（75%）と、Zr2+架橋剤を含有する
非造形用インクＡ：イソプロピルアルコール、1,2-プロパンジオールおよびテトラオルトケイ酸エチル含有
（２）
基材：SUS316L 平均粒径８μｍ
水溶性有機材料：ポリビニルアルコール  膜厚100 μｍ
造形用インクＢ：水（75%）と、Zr2+架橋剤を含有する
非造形用インクＡ：イソプロピルアルコール、1,2-プロパンジオールおよびジメチルシロキサン含有
（３）
基材：SUS316L 平均粒径８μｍ
水溶性有機材料：ポリビニルアルコール  膜厚100 μｍ
造形用インクＢ：水（75%）と、Zr2+架橋剤を含有する
第二インク：イソプロピルアルコール、1,2-プロパンジオールおよびシリカ微粒子(平均粒径500 nm)含有
【符号の説明】
【０１０６】
１  造形部
５  造形ユニット
７  ベース部材
１０  造形液
１１  粉体槽
１２  平坦化ローラ
１３  粉体除去板
２０  粉体
２１  供給槽
２２  造形槽
２３  供給ステージ
２４  造形ステージ
２５  往復移動機構
２６  モータ
２７  モータ
２８  モータ
２９  粉体落下口
３０  造形層
３１  粉体層
５０  液体吐出ユニット
５１  キャリッジ
５２  ヘッド
５２ａ  液体吐出ヘッド
５２ｂ  液体吐出ヘッド
５４  ガイド部材
５５  ガイド部材
５６  タンク装着部
６０  タンク
６１  メンテナンス機構
６２  キャップ
６３  ワイパ
７０  側板
７１  ガイド部材
７２  スライダ部
８０  粉体後供給部
５００  制御部
５００Ａ  主制御部
５０１  ＣＰＵ
５０２  ＲＯＭ
５０３  ＲＡＭ
５０４  不揮発性メモリ
５０５  ＡＳＩＣ
５０６  Ｉ／Ｆ
５０７  Ｉ／Ｏ
５０８  ヘッド駆動制御部
５１０  モータ駆動部
５１１  モータ駆動部
５１２  モータ駆動部
５１３  モータ駆動部
５１４  モータ駆動部
５１５  モータ駆動部
５１６  モータ駆動部
５１７  供給系駆動部
５１８  メンテナンス駆動部
５２２  操作パネル
５５０  Ｘ方向走査機構
５５１  Ｚ方向走査機構
５５２  Ｙ方向走査機構
５５４  粉体供給装置
５６０  温湿度センサ
６００  造形データ作成装置
６０１  立体造形装置
９０  立体造形物
９１  板材
９２  アーチ
９３  サポート部
９４  薄膜
２００  粉体材料
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０７】
【特許文献１】特開２０１７−１９６８１１号公報
【特許文献２】特開２００５−８８４３２号公報
【特許文献３】特開２０１６−５５６０３号公報
【図１】
2019123208.tif 000003
【図２】
2019123208.tif 000004
【図３】
2019123208.tif 000005
【図４】
2019123208.tif 000006
【図５】
2019123208.tif 000007
【図６】
2019123208.tif 000008
【図７】
2019123208.tif 000009
【図８】
2019123208.tif 000010
【図９】
2019123208.tif 000011
【図１０】
2019123208.tif 000012
【図１１】
2019123208.tif 000013
【図１２】
2019123208.tif 000014
【図１３】
2019123208.tif 000015
【図１４】
2019123208.tif 000016
【図１５】
2019123208.tif 000017
【図１６】
2019123208.tif 000018
【図１７】
2019123208.tif 000019