(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末とバインダーとを含む被焼結材料を用いて層を積層して３次元形成物を形成する３次元形成装置であって、
前記３次元形成物が形成されるテーブルと、
前記テーブルに接する材料供給領域又は先に形成された前記層に接する前記材料供給領域に、前記被焼結材料を供給する材料供給手段と、
前記材料供給領域を加熱する第１加熱手段と、
前記第１加熱手段とは別体の第２加熱手段であって、前記材料供給手段から前記材料供給領域に供給された前記被焼結材料を加熱する前記第２加熱手段と、
前記第１加熱手段および前記第２加熱手段とは別体のエネルギー照射手段であって、前記金属粉末を焼結するエネルギーを供給する前記エネルギー照射手段と、
前記第１加熱手段によって加熱される前記材料供給領域の温度を検出する第１温度検出手段と、
前記第１温度検出手段とは別体の第２温度検出手段であって、前記第２加熱手段によって加熱される前記被焼結材料の温度を検出する前記第２温度検出手段と、
前記第１加熱手段、前記第２加熱手段、前記第１温度検出手段、及び、前記第２温度検出手段を制御する制御部と、
を備え、
前記第１加熱手段、前記第２加熱手段、前記エネルギー照射手段、前記第１温度検出手段、及び、前記第２温度検出手段は、前記テーブルと分離して配置され、
前記制御部は、
前記第１温度検出手段によって検出された前記材料供給領域の温度に基づいて前記第１加熱手段の出力を制御して、前記被焼結材料が前記材料供給領域に供給される前に前記材料供給領域を所定の温度に加熱し、
前記第２温度検出手段によって検出された前記被焼結材料の温度に基づいて前記第２加熱手段の出力を制御して、前記材料供給領域に供給された前記被焼結材料を所定の温度に加熱する、
ことを特徴とする３次元形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料を用いて３次元形状を簡便に形成する製造方法として、特許文献１に示すような方法が開示されている。特許文献１に開示されている３次元形成物の製造方法は、原料に金属粉末と、溶剤と、粘着増進剤と、を有する金属ペーストを層状の材料層に形成して用いる。そして、層状の材料層に光ビームを照射して金属の焼結層もしくは金属の溶融層を形成し、材料層の形成と、光ビームの照射と、を繰り返すことにより焼結層もしくは溶融層が積層され、所望の３次元形成物が得られる。
【０００３】
しかし特許文献１に示された３次元形成物の製造方法では、層状に供給される材料層の一部だけが光ビームの照射によって焼結あるいは溶融し、造形物の一部として形成され、光ビームが照射されない材料層は、除去されるだけの無駄な部分であった。また、所定の光ビームの照射領域に対して、その近傍でも不完全ではあるが焼結あるいは溶融した材料層が発生し、その不完全部分が所望の焼結あるいは溶融によって形成された部分に付着することで、造形物の形状が不安定になる、といった不具合があった。
【０００４】
そこで、特許文献２あるいは特許文献３に開示されている所望の部位に粉末金属材料を供給しながらレーザーを照射し、金属肉盛部を形成することができるノズルを適用することで、特許文献１の不具合を解消することが想到できる。
【０００５】
特許文献２，３に開示されているノズルは、ノズル中心部にレーザー照射部を備え、レーザー照射部の周囲に金属粉末（パウダー）を供給するパウダー供給部を備えている。そしてノズル中心のレーザー照射部から照射されるレーザーに向けてパウダーが供給され、供給されたパウダーがレーザーによって溶融して施工対象物上に肉盛金属として形成される。
【０００６】
また、特許文献１の３次元形成物の製造方法では、３次元形成物を構成する積層される材料層の一つの層において、３次元ＣＡＤのデータなどから得られる光ビームの照射経路に沿うように光ビームがガルバノミラーによってスキャンし、材料層が溶融、凝固されて所望の焼結層を得ることができる。また、特許文献４の３次元形成物の製造方法では、第１層目と第２層目、第２層目と第３層目の原料の滴下位置を異ならせて配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１８４６２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２１９０６０号公報
【特許文献３】特開２０１３−７５３０８号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１４／０１７５７０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献２，３に開示されたノズルを用いて肉盛金属を形成する場合、適用される金属紛体の粒径をより微小なものにすることが困難であった。すなわち、微小粒径、いわゆる微粉体とすることによって粒子間の付着性が増大する、いわゆる強付着性紛体となり、例えば圧縮空気などで搬送、噴出させると流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損ない、噴射安定性が損なわれる。従って、パウダーの流動化を確保するためにパウダーの粒径を小さくすることには限界があり、微小粒径のパウダーを用いなければ実現できない微細で高精度な３次元形状の形成に特許文献２，３に開示されたノズルを用いることは困難であった。
【０００９】
更に、特許文献１に開示された３次元形成物の製造方法において、生産性を向上させるには、光ビームの走査に交差する方向の材料層の溶融凝固幅を広くする、あるいは走査速度を速めることが求められる。一方で、３次元形成物に微細な造形領域を含む場合には、溶融凝固幅はより狭く、走査速度は遅くすることで微細な造形を得ることができる。
【００１０】
また特許文献４に開示された３次元形成物の製造方法においては、不完全なドット吐出位置を補正するために、第１層とは違った第２層を打ち分ける、あるいは第１層が形成されシュリンクした後の高さを補正するため吐出位置に補正を加える提案はあるが、最も効率を高め、材料供給を可能とする方法についての提示はされていない。
【００１１】
このように、３次元形成物の生産性の向上と、微細形状部の精密造形精度の向上とは、相反する要素を含むこととなる。しかし、特許文献１に開示された３次元形成物の製造方法では、生産性の向上と精密造形精度の向上を実現するには、例えば、溶融凝固幅を広く成形可能な光ビームと、精密造形用の光ビームと、を照射可能なように複数の光ビーム照射手段を備えることが必要になり、装置の大型化あるいは装置コストの上昇を招くこととなる。
【００１２】
そこで、微細な３次元造形物を形成することを可能とする、微小粒径の金属粉末を用いることができる３次元形成装置と３次元形成方法を得ること、および、一つのエネルギー線の照射手段から照射されるエネルギー線によって、溶融凝固幅を広くして高い生産性を得るとともに、微細形状の精密造形も高い精度で実現した３次元形成物と、その３次元形成物の形成方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１４】
〔適用例１〕本適用例の３次元形成装置は、金属粉末とバインダーと溶媒とを含む被焼結材料を用いた層を積層して３次元形成物を形成する３次元形成装置であって、前記被焼結材料を所定の材料供給領域に供給する材料供給手段と、前記所定の材料供給領域を加熱する第１加熱手段と、前記材料供給手段から前記所定の材料供給領域に供給された前記被焼結材料を加熱する第２加熱手段と、前記金属粉末を焼結するエネルギーを供給するエネルギー照射手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
本適用例の３次元形成装置によれば、形成される３次元形成物の形状を形成する領域に必要な量の被焼結材料が供給され、供給された被焼結材料に向けてエネルギー照射手段によってエネルギーが供給されるため、材料供給のロス、供給エネルギーのロスが削減される。
【００１６】
従来、金属粉末のみを供給し、焼結する場合に生じる、金属微粒子間での付着力が増大し、強付着性紛体となり、圧縮空気などで搬送、噴出させる場合に流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損なうことがあり、金属微粒子の粒径を小さくするには限界があった。しかし、金属粉末と、バインダーと、溶媒とを含む被焼結材料が材料供給手段から所定の材料供給領域上に供給される構成とすることで、材料搬送の流路への付着を防止することができ、安定した材料供給が可能になり、極微小な金属紛体を用いて３次元形成物を形成することができる。
【００１７】
エネルギー照射手段から照射される被焼結材料を焼結させるだけの大きなエネルギーによって、被焼結材料に含まれる溶媒などの液体成分がきわめて短時間に蒸発される、すなわち爆発的に気化される突沸による金属粉末の飛散、を焼結前にあらかじめ液体成分の蒸発を可能とする乾燥手段を備えることにより防止することができ、欠陥のない３次元形成物を得ることができる。
【００１８】
乾燥手段として、本適用例の３次元形成装置では、第１加熱手段と、第２加熱手段と、を備えている。そして、第１加熱手段が金属粉末とバインダーと溶媒とを含む被焼結材料が供給される所定の材料供給領域を加熱することで、所定の材料供給領域に被焼結材料が供給されると、被焼結材料に含まれる溶媒が所定の材料供給領域に供給された熱によって蒸発され、被焼結材料の乾燥が開始される。これによって被焼結材料は部分的に流動性が低下、すなわち粘性が増加し、所定の材料供給領域での被焼結材料の拡散を抑制することができ、所望の形状に材料を正確に配置させることができる。
【００１９】
また、第２加熱手段が所定の材料供給領域に供給された被焼結材料を加熱することにより、第１加熱手段によって加熱された所定の材料供給領域に供給され、一部乾燥した被焼結材料に残留した溶媒をさらに蒸発させることができる。これによって、供給された被焼結材料に含まれる溶媒を焼結のためのエネルギー照射手段からエネルギーが供給される前に、被焼結材料から液体成分の溶媒をより確実に除去することができ、突沸の発生を防止することができる。
【００２０】
また、第１加熱手段および第２加熱手段によって材料供給領域に吐出された被焼結材料から、被焼結材料の流動性を向上させることにも寄与する液体成分の溶媒が除去されることで、材料供給領域での被焼結材料の流動性を低下させることができる。従って、被焼結材料の吐出後に、被焼結材料が材料供給領域面に沿って拡散することを防止することができ、精密な３次元形成物を形成できる３次元形成装置を得ることができる。
【００２１】
なお、本適用例において、「焼結」とは、被焼結材料にエネルギーが供給されることによって、被焼結材料を構成する溶媒が供給エネルギーによって蒸発し、そして、残った金属粉末同士が供給エネルギーによって金属結合することをいう。なお、本明細書では金属粉末が溶融結合される形態もエネルギーを供給することで金属粉末を結合させるものとして、焼結として説明する。
【００２２】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記材料供給手段は、前記被焼結材料を吐出する吐出手段を備えていることを特徴とする。
【００２３】
上述したように、従来、金属粉末のみを供給し、焼結する場合に生じる、金属微粒子間での付着力が増大し、強付着性紛体となり、圧縮空気などで搬送、噴出させる場合に流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損なうことがあり、金属微粒子の粒径を小さくするには限界があった。しかし、上述の適用例によれば、金属粉末とバインダーと溶媒とを含む被焼結材料が材料供給手段から所定の材料供給領域上に供給される構成とすることで、材料搬送の流路への付着を防止することができ、安定した材料搬送供給、更には、液滴状に材料を吐出することが可能になり、微小量の材料を供給する吐出手段を備えることができ、極微小な金属紛体を用いて３次元形成物を形成することができる。
【００２４】
〔適用例３〕上述の適用例において、所定の前記材料供給領域は、ステージ又は、金属プレート又は、先に形成された前記層であって、前記第１加熱手段は、前記被焼結材料が前記材料供給領域に供給される前に前記材料供給領域を所定の温度に加熱し、前記第２加熱手段は、前記材料供給領域に供給された前記被焼結材料を所定の温度に加熱することを特徴とする。
【００２５】
上述の適用例によれば、第１加熱手段が被焼結材料が供給される所定の材料供給領域を加熱することで、所定の材料供給領域に被焼結材料が供給されると、被焼結材料に含まれる溶媒が所定の材料供給領域に供給された熱によって蒸発され、被焼結材料の乾燥が開始される。これによって被焼結材料は部分的に流動性が低下、すなわち粘性が増加し、所定の材料供給領域での被焼結材料の拡散を抑制することができ、所望の形状に材料を正確に配置させることができる。
【００２６】
また、第２加熱手段が所定の材料供給領域に供給された被焼結材料を加熱することにより、第１加熱手段によって加熱された所定の材料供給領域に供給され、一部乾燥した被焼結材料に残留した液体成分の溶媒を蒸発させることができる。これによって、供給された被焼結材料の溶媒を焼結のためのエネルギー照射手段からエネルギーが供給される前に、被焼結材料から液体成分をより確実に除去することができ、突沸の発生を防止することができる。また、バインダー自体の少なくとも一部を熱分解させることもできる。これによって、バインダーの急激な熱分解に伴う分解成分のガスの発生による金属粉末の飛散が抑制され、精密な３次元形成物を形成することができる。
【００２７】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記第１加熱手段によって加熱される前記材料供給領域の温度を検出する第１温度検出手段と、前記第２加熱手段によって加熱される前記被焼結材料の温度を検出する第２温度検出手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２８】
被焼結材料に含む液体成分、例えば被焼結材料に含まれる溶媒などの沸点や、バインダーの熱分解温度を超える温度に、第１加熱手段によって加熱される材料供給領域、あるいは第２加熱手段によって加熱される材料供給領域上に供給された被焼結材料が加温されることにより液体成分による突沸や熱分解ガス発生などによって金属粉末を飛散させる虞がある。そこで、上述の適用例によれば、材料供給領域あるいは材料供給領域に供給された被焼結材料の温度を第１および第２温度検出手段によって検出し、その結果に基づいて第１および第２加熱手段の動作を制御し、突沸を防ぐことができる。
【００２９】
〔適用例５〕本適用例の３次元形成方法は、金属粉末とバインダーとを含む被焼結材料を用いた層を積層して３次元形成物を形成する３次元形成方法であって、前記被焼結材料を前記第一の単層上に液滴状に吐出させて単位液滴状材料を積層させる材料供給工程と、前記第一の単層における前記単位液滴状材料の材料供給領域を加熱する加熱工程と、前記第一の単層上に着弾した前記単位液滴状材料により形成された単位材料を乾燥し、乾燥被焼結材料を形成する乾燥工程と、前記乾燥被焼結材料に向けて、前記乾燥被焼結材料を焼結するエネルギーを供給し前記乾燥被焼結材料を焼結させ焼結体を形成する焼結工程と、前記焼結体を集合させて前記焼結単層を形成する単層形成工程と、前記焼結単層を前記第一の単層として、前記第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって前記第二の単層を形成する積層工程と、を含み、前記加熱工程は、前記材料供給工程より前に実行されることを特徴とする。
【００３０】
本適用例の３次元形成方法によれば、先ず、材料供給工程の前に、加熱工程によって金属粉末とバインダーと溶媒とを含む被焼結材料が供給される所定の材料供給領域を加熱し、加熱された所定の材料供給領域に被焼結材料が供給されることで、被焼結材料に含まれる溶媒が所定の材料供給領域に供給された熱によって蒸発され、被焼結材料の乾燥が開始される。これによって被焼結材料は部分的に流動性が低下、すなわち粘性が増加し、所定の材料供給領域での被焼結材料の拡散を抑制することができ、所望の形状に材料を正確に配置させることができる。
【００３１】
次に、材料供給工程の後に乾燥工程を備えることで、所定の材料供給領域に供給された被焼結材料を加熱、乾燥することができる。これによって、供給された被焼結材料に含まれる液体成分の溶媒を焼結のためのエネルギー照射手段からエネルギーが供給される前に、被焼結材料から液体成分を除去することができ、突沸の発生を防止することができる。また、バインダー自体の少なくとも一部を熱分解させても良い。これによって、バインダーの熱分解に伴う分解成分のガスの発生による金属粉末の飛散が抑制され、精密な３次元形成物を形成することができる。
【００３２】
また、加熱工程および乾燥工程によって材料供給領域に吐出された被焼結材料から、被焼結材料に流動性を向上させることに寄与している液体成分である溶媒が除去されることで、材料供給領域での被焼結材料の流動性を低下させることができる。従って、被焼結材料の吐出後に、被焼結材料が材料供給領域面に沿って拡散することを防止することができ、精密な３次元形成物を形成できる３次元形成方法を得ることができる。
【００３３】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記単位材料の平面視における単位材料径をＤｍとし、隣り合う前記単位材料の単位材料中心の間の距離をＰｍ、とした場合、
０．５≦Ｐｍ／Ｄｍ＜１．０
であることを特徴とする。
【００３４】
本適用例の３次元形成方法は、エネルギー線の照射によって金属粉末を焼結させて得られる金属造形物の焼結単層を積層させて得る方法である。そして焼結単層は、複数の焼結体の集合物として形成する。このようにして得られる焼結単層は、エネルギー線を照射して焼結体に形成させる原料としての単位材料の平面視における単位材料径をＤｍとし、隣り合う単位材料中心の間の距離をＰｍ、とした場合、
０．５≦Ｐｍ／Ｄｍ＜１．０
の関係を満足させながら形成される。
【００３５】
本適用例によれば、上述の関係において、ＰｍをよりＤｍに近づける、すなわちＰｍ／Ｄｍを１．０に近づけることで隣り合う焼結体に形成される単位材料は互いに離間するように配置される。従って、短時間で焼結単層を形成することができ、生産性を高めることができる。またＰｍ／Ｄｍを０．５に近づけることで、隣り合う焼結体に形成される単位材料は互いに近接するように、すなわち重なる領域が多くなるように配置されることで、隣り合う単位材料が緻密に配置され、配置された単位材料を焼結して得られる焼結体を緻密に集合させた焼結単層に形成することができ、精密な造形を可能とする。
【００３６】
〔適用例７〕上述の適用例において、前記焼結単層に含む前記焼結体は、隣り合う第１の焼結体と、第２の焼結体と、第３の焼結体を含み、前記第二の単層は、前記第二の単層に含む前記焼結体を形成する前記単位材料の前記単位材料中心が、前記第一の単層に含む前記第１の焼結体、前記第２の焼結体、および前記第３の焼結体の各々の焼結体中心によって構成される平面視における３角形領域と重なることを特徴とする。
【００３７】
上述の適用例６において、第一の単層の隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体に形成される各々の単位材料中心間の距離Ｐｍが、Ｄｍの値と近い値で配置されると、焼結形成された隣り合う焼結体の間に焼結体の欠落部が発生する場合がある。しかし、上述の適用例によれば、第二の単層に含まれる焼結体に形成される単位材料が、下層の第一の単層の焼結単層に含む隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体の各々の焼結体中心を結ぶ３角形領域の平面視における領域内に、単位材料中心が重なるように配置されることで、第二の単層の焼結体を形成するエネルギー線が照射されることで、第一の単層に生じた焼結体の欠落部を埋めることができる。これにより、３次元形成物の内部に焼結体の欠落部、言い換えると欠陥部となり得る領域を除去しながら、３次元形成物を得ることができる。
【００３８】
〔適用例８〕本適用例の３次元形成物は、金属粉末とバインダーとを含む被焼結材料を用いた層を積層し、前記被焼結材料を焼結するエネルギー線を照射し得られる焼結単層を含む第一の単層上に、少なくとも前記焼結単層を含む第二の単層が積層されて得られる３次元形成物であって、前記焼結単層は、液滴状に吐出された前記被焼結材料に前記エネルギー線が照射されて焼結した焼結体を集合させて形成され、前記焼結体の平面視における焼結体径をＤｓとし、隣り合う前記焼結体の焼結体中心の間の距離をＰｓ、とした場合、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
であることを特徴とする。
【００３９】
エネルギー線の照射によって金属粉末を焼結させて得られる金属造形物の焼結単層を積層させて得られるものである。そして焼結単層は、複数の焼結体の集合物として形成される。このようにして得られる焼結単層は、焼結体の平面視における焼結体径をＤｓとし、隣り合う焼結体の焼結体中心の間の距離をＰｓ、とした場合、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係を満足させながら形成される。
【００４０】
本適用例によれば、上述の関係において、Ｐｓを、よりＤｓに近づける、すなわちＰｓ／Ｄｓを１．０に近づけることで隣り合う焼結体は互いに離間するように配置される。従って、短時間で焼結単層を形成することができ、生産性を高めることができる。またＰｓ／Ｄｓを０．５に近づけることで、隣り合う焼結体は互いに近接するように、すなわち重なる領域が多くなるように配置されることで、隣り合う焼結体が緻密に集合された焼結単層を形成することができ、精密な造形を可能とする。
【００４１】
〔適用例９〕上述の適用例において、前記焼結単層は、隣り合う第１の焼結体と、第２の焼結体と、第３の焼結体と、を含み、前記第二の単層は、前記第二の単層に含む前記焼結体の前記焼結体中心が、前記第一の単層に含む前記第１の焼結体、前記第２の焼結体、および前記第３の焼結体の各々の前記焼結体中心を結んで構成される平面視における３角形領域に重なるように配置されることを特徴とする。
【００４２】
上述の適用例８において、第一の単層の隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体の各々の焼結体中心間の距離Ｐｓが、Ｄｓの値と近い値で配置されると、隣り合う焼結体の間に焼結体の欠落部が発生する場合がある。しかし、上述の適用例によれば、第二の単層に含まれる焼結体が、下層の第一の単層の焼結単層に含む隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体の各々の焼結体中心を結ぶ３角形領域の平面視における領域内に、焼結体中心が重なるように配置されることで、第二の単層の焼結体を形成するエネルギー線が照射されることで、第一の単層に生じた焼結体の欠落部を埋めることができる。これにより、３次元形成物の内部に焼結体の欠落部、言い換えると欠陥部となり得る領域を除去しながら、３次元形成物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図。
【図２】第１実施形態に係る３次元形成装置に備えるヘッド、材料吐出部、レーザー照射部、第１ランプ、そして第１温度計と、を示す拡大外観図。
【図３】第１実施形態に係る３次元形成装置に備えるヘッド、材料吐出部、レーザー照射部、第２ランプ、そして第２温度計と、を示す拡大外観図。
【図４】材料供給領域に単位材料が形成された状態を模式的に表した拡大断面図。
【図５】材料供給領域の単位材料への加熱状態を模式的に表した拡大断面図。
【図６】被焼結材料の乾燥前の状態を示す拡大概念図。
【図７】被焼結材料の乾燥後の状態を示す拡大概念図。
【図８】第２実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。
【図９】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図１０】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図１１】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図１２】第２実施形態に係る３次元形成方法の加熱工程における単位材料の状態を示す部分断面図。
【図１３】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図１４】第２実施形態に係る３次元形成方法の乾燥工程における単位材料の状態を示す部分断面図。
【図１５】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図１６】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図１７】第２実施形態に係る３次元形成方法における単位材料の配置を説明する平面概念図。
【図１８】図１７に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図１９】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２０】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２１】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２２】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２３】第２実施形態に係る３次元形成方法における単位材料の配置を説明する平面概念図。
【図２４】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２５】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２６】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２７】第２実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。
【図２８】第３実施形態に係る３次元形成物を示す概略構成図。
【図２９】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３０】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３１】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３２】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３３】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３４】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３５】第３実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図３６】図３１に示すＢ−Ｂ´部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図である。なお、本明細書における「３次元形成」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２次元形状の形状であっても厚みを有する形状を形成することも含まれる。
【００４６】
図１に示すように、３次元形成装置１０００は、基台１０と、基台１０に備える駆動手段としての駆動装置１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能に備えられたステージ２０を備えている。さらに、一方の端部が基台１０に固定され、他方の端部に後述する材料供給手段とエネルギー照射手段と、を保持する保持手段としてのヘッド３１を保持固定する支持アーム３２と、を備えるヘッド支持部３０を備えている。また、一方の端部が基台１０に固定され、他方の端部に第１加熱手段としての第１ハロゲンランプ４１（以下、第１ランプ４１という）と、第２加熱手段としての第２ハロゲンランプ４２（以下、第２ランプ４２という）と、第１ランプ４１によって加熱される領域の温度を計測する第１温度検出手段としての非接触型の第１温度計５１と、第２ランプ４２によって加熱される領域の温度を計測する第２温度検出手段としての非接触型の第２温度計５２と、を保持固定するランプ支持部６０を備えている。なお、本実施形態ではステージ２０を駆動装置１１によってＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動させる構成を説明するが、これに限定されず、ステージ２０と、ヘッド３１と、が相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能であればよい。
【００４７】
そしてステージ２０上に、３次元形成物２００に形成される過程での部分造形物２０１，２０２，２０３が層状に形成される。３次元形成物２００の形成には後述するが、レーザーによる熱エネルギーの照射がされるため、ステージ２０を熱から保護するため、耐熱性を有するプレート２１を用いて、プレート２１の上に３次元形成物２００を形成してもよい。プレート２１としては、例えば、耐熱金属による金属プレート、あるいはセラミック板が好適に用いられる。本実施形態では、耐熱性を有する金属プレート２１（以下、プレート２１）を例示し、耐熱金属を用いることで、高い耐熱性を得ることができ、更に焼結あるいは溶融される供給材料との反応性も低く、３次元形成物２００の変質を防止することができる。なお、図１では説明の便宜上、部分造形物２０１，２０２，２０３の３層を例示したが、所望の３次元形成物２００の形状まで積層される。
【００４８】
ヘッド３１には、材料供給手段としての材料供給装置７０に備える吐出手段としての材料吐出部７１と、エネルギー照射手段としてのレーザー照射装置８０に備えるエネルギー照射部としてのレーザー照射部８１と、が保持されている。レーザー照射部８１は、本実施形態では第１レーザー照射部８１ａと、第２レーザー照射部８１ｂと、を備えている。
【００４９】
３次元形成装置１０００は、例えば図示しない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３次元形成物２００の造形用データに基づいて、上述したステージ２０、材料供給装置７０に備える材料吐出部７１、レーザー照射装置８０、およびランプ４１，４２を制御する制御手段としての制御ユニット１００を備えている。制御ユニット１００には、図示されないが、少なくともステージ２０の駆動制御部と、材料吐出部７１の作動制御部と、ランプ４１，４２の出力制御部と、レーザー照射装置８０の作動制御部と、を備えている。そして、制御ユニット１００には、ステージ２０、材料吐出部７１、ランプ４１，４２、およびレーザー照射装置８０と、が連携して駆動、動作させる制御部を備えている。
【００５０】
基台１０に移動可能に備えられているステージ２０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー１１０においてステージ２０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１０に備える駆動装置１１に送られ、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向にステージ２０が移動する。
【００５１】
ヘッド３１に固定されている材料吐出部７１では、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１３０において材料吐出部７１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材料吐出部７１から所定量の材料が吐出される。
【００５２】
材料吐出部７１には、材料供給装置７０に備える材料供給ユニット７２から材料供給経路としての供給チューブ７２ａが延設され、接続されている。材料供給ユニット７２には、本実施形態に係る３次元形成装置１０００によって造形される３次元形成物２００の原料を含む被焼結材料が供給材料として収容されている。供給材料の被焼結材料としては、３次元形成物２００の原料となる金属、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）、ニッケル（Ｎｉ）やこれらのうち少なくとも１種を含む合金（例えば、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、ニッケル基調合金、アルミニウム合金等）等の単体粉末、もしくはこれらの混合粉末を、溶剤と、バインダーとを混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の組成物である。なお、金属粉末は、平均粒径が１０μｍ以下のものが好ましい。
【００５３】
溶媒または分散媒としては、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）、エチレングリコールモノエチルエーテル（エチルセロソルブ）、エチレングリコールモノフェニルエーテル（フェニルセロソルブ）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、ぺンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロへキサン、メチルシクロへ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化水素類、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、メチルピロリドン等の芳香族複素環類、アセトニトリル、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−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩またはその他の各種油類等が挙げられる。また、耐熱溶媒として、シリコーンオイル等を用いることで、流動性を向上できる。
【００５４】
バインダーとしては上述の溶媒または分散媒に可溶であれば、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を微細な粒の状態で、上述の溶媒または分散媒中に分散させるようにしてもよい。熱可塑性樹脂を用いる場合には、材料吐出部７１及び材料供給ユニット７２を加熱することで熱可塑性樹脂の柔軟性を維持する。
【００５５】
ランプ支持部６０に固定されたランプ４１，４２は、それぞれ異なる熱放射領域を有している。第１ランプ４１から放射される熱は、プレート２１上、もしくは部分造形物２０１，２０２，２０３の最上層、本例では部分造形物２０３上に材料吐出部７１から吐出される材料の材料供給領域の温度を所定の温度に加熱する。詳細は後述するが、第１ランプ４１によって加熱されたプレート２１、もしくは最上層の部分造形物２０３上に着弾した材料の一部を乾燥させる。
【００５６】
また、第２ランプ４２から放射される熱は、材料吐出部７１から吐出され、プレート２１上、もしくは部分造形物２０１，２０２，２０３の最上層、本例では部分造形物２０３上に着弾した材料の乾燥が、第１ランプ４１によって加熱された材料供給領域の熱による部分的な乾燥に加えて、更に着弾材料が乾燥される。すなわち、ランプ４１，４２から放射される熱によって、金属粉末、溶媒または分散媒、更にはバインダーを含む材料から、液体成分を蒸発させる。なお、加熱手段としてのランプ４１，４２はハロゲンランプに限定されない。例えば赤外線ランプ、あるいは高周波の照射による加熱乾燥、あるいは熱風の吹付、などの手段であってもよい。
【００５７】
ヘッド３１に固定されているレーザー照射装置８０に備えるレーザー照射部８１は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、レーザー発振器８２により所定出力のレーザーが発振され、レーザー照射部８１より、レーザーが照射される。レーザーは、材料吐出部７１から吐出された供給材料に照射され、供給材料に含まれる金属粉末を焼結、もしくは溶融し固体化する。本実施形態に係る３次元形成装置１０００に用いられるレーザーは特に限定はないが、炭酸ガスレーザーより金属の吸収効率が高いファイバーレーザーが好ましい。
【００５８】
ランプ４１，４２から放射される熱によって、金属粉末、溶媒または分散媒、更にはバインダーを含む材料から、液体成分を蒸発させるが、過剰に加熱されることによって、液体成分の沸点を超える温度になると、いわゆる突沸によって着弾させた材料を飛散させてしまう虞がある。そこで突沸を回避するため、ランプ支持部６０には温度計５１，５２が備えられている。温度計５１，５２は非接触で測定対象物の温度を測定することが可能であり、ランプ４１，４２の加熱領域の温度を測定し、ランプ出力コントローラー１２０に備える第１ランプ出力コントローラー１２１および第２ランプ出力コントローラー１２２に測定された温度データを送出する。そして、測定された温度がランプ４１，４２の加熱領域における所定の温度より高い場合にはランプ４１，４２への供給電力を減らし、所定温度より低い場合には供給電力を増やす、という制御がランプ出力コントローラー１２０によって行われる。
【００５９】
図２は、図１に示すヘッド３１と、ヘッド３１に保持された材料吐出部７１とレーザー照射部８１と、第１ランプ４１と、第１温度計５１と、を示す拡大外観図であり、図１に示すＹ方向矢視外観図である。図２に示すように、ヘッド３１に保持される材料吐出部７１は、吐出ノズル７１ｂと、吐出ノズル７１ｂから所定の量の材料を吐出させる吐出駆動部７１ａと、を備えている。吐出駆動部７１ａには、材料供給ユニット７２に繋がれた供給チューブ７２ａが接続され、供給チューブ７２ａを介して被焼結材料Ｍが供給される。吐出駆動部７１ａには、図示しない吐出駆動装置が備えられ、材料供給コントローラー１３０からの制御信号に基づき被焼結材料Ｍを吐出ノズル７１ｂに送出する。そして、吐出ノズル７１ｂの吐出口７１ｃから、液滴状の略球体形状となる材料飛翔体Ｍｆとして、プレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３に向けて略重力方向Ｇに向けて飛翔させる準備がされる。
【００６０】
ここで、材料飛翔体Ｍｆを着弾させるプレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３上面の材料供給領域Ｓに向けて加熱手段としての第１ランプ４１から熱線Ｌｈ１が照射され、プレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３の材料供給領域Ｓが所定温度まで加熱される。
【００６１】
所定温度とは、材料供給領域Ｓに着弾される材料飛翔体Ｍｆ、すなわち被焼結材料Ｍに含まれる溶媒または分散媒、あるいはバインダーなどが含む液体成分を蒸発可能で、且つその沸点を超えない温度であることが好ましい。すなわち、材料飛翔体Ｍｆが単位液滴状材料Ｍｓ（以下、単位材料Ｍｓという）として材料供給領域Ｓに着弾、形成されると、単位材料Ｍｓに含む溶媒または分散媒、あるいはバインダーなどを含む液体成分を蒸発させ、材料供給領域Ｓ上に固定するものである。
【００６２】
第１ランプ４１は、図２に示すように、熱源となる光源４１ａと、光源４１ａから出射される熱線Ｌｈ１を、照射対象物に収束させる集光レンズ４１ｂと、光源４１ａと集光レンズ４１ｂとを収納し、集光レンズ４１ｂから収束させた熱線Ｌｈ１を出射させる開口４１ｄを備えたレンズ収納部４１ｃと、を備えている。なお、第１ランプ４１は、図２に図示した形態に限定されず、集光反射部（リフレクター）を備える光源（ランプ）であってもよい。
【００６３】
上述した図２に示す材料供給領域Ｓの第１ランプ４１による加熱後、図３に示すように材料供給領域Ｓに着弾した単位材料Ｍｓの加熱が第２ランプ４２によって行われる。なお、図３は、図１に示すヘッド３１と、ヘッド３１に保持された材料吐出部７１とレーザー照射部８１と、第２ランプ４２と、第２温度計５２と、を示す拡大外観図であり、図１に示すＹ方向矢視外観図である。
【００６４】
図３に示すように、吐出ノズル７１ｂの吐出口７１ｃから吐出された被焼結材料Ｍは、液滴状、すなわち略球体形状となる材料飛翔体Ｍｆとなってプレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３に向けて飛翔し、プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位材料Ｍｓとしてプレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成される。そして、図２に示すように加熱された材料供給領域Ｓの熱によって、単位材料Ｍｓに含む溶媒または分散媒、などの液体成分の少なくとも一部が蒸発する。
【００６５】
そして、プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成され、溶媒または分散媒などの液体成分の一部が蒸発された単位材料Ｍｓ´には、加熱手段としての第２ランプ４２から出射される熱線Ｌｈ２が照射され、単位材料Ｍｓ´に含まれる溶媒または分散媒の液体成分の残りや、更にはバインダーなどが除去され、単位材料Ｍｓ´は乾燥された乾燥単位材料Ｍｓ″となる。なお、熱線Ｌｈ２は、単位材料Ｍｓに含まれる溶媒または分散媒などが含む液体成分の沸点を超えない温度に単位材料Ｍｓ´を加熱することが好ましい。すなわち、単位材料Ｍｓ´に含まれる溶媒または分散媒などが含む液体成分の沸点を超える温度まで単位材料Ｍｓ´を加熱することで、液体成分に突沸を発生させ、単位材料Ｍｓ´中の金属粉末を飛散させる虞があり、これを防止するために、液体成分の沸点を超えない温度での乾燥が好ましい。
【００６６】
そして、乾燥単位材料Ｍｓ″に対して、第１レーザー照射部８１ａからレーザーＬ１が、第２レーザー照射部８１ｂからレーザーＬ２が出射され、乾燥単位材料Ｍｓ″は加熱、焼成される。
【００６７】
図４は、図２に示す第１ランプ４１によって加熱された材料供給領域Ｓに単位材料Ｍｓが形成された状態を模式的に表した拡大断面図である。図４に示すように、材料飛翔体Ｍｆはプレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３の材料供給領域Ｓに向けて飛翔し、プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位材料Ｍｓとして形成される。この時、図２に示すように、材料供給領域Ｓは第１ランプ４１によって加熱されていることから、材料飛翔体Ｍｆが材料供給領域Ｓに着弾と同時に材料飛翔体Ｍｆに含まれる溶媒または分散媒などの液体成分の蒸発が開始され、着弾後の単位材料Ｍｓの状態において、材料供給領域Ｓに近接する単位材料Ｍｓの一部は乾燥部Ｍｄ１となり、その他の部分は液体成分を含む溶媒または分散媒と、バインダーなどを含む被焼結材料Ｍの組成の状態の単位材料Ｍｓ´が構成される。
【００６８】
そして図５に示すように、図４に示す単位材料Ｍｓ´に対して、第２ランプ４２から熱線Ｌｈ２が照射され、単位材料Ｍｓ´における未乾燥部分、すなわち液体成分を含む溶媒または分散媒とバインダーなどを含む被焼結材料Ｍ部分の液体成分を蒸発させ、乾燥部Ｍｄ２を形成する。そして、ともに溶媒または分散媒、あるいはバインダーなどが蒸発、熱分解し乾燥された乾燥部Ｍｄ１，Ｍｄ２によって構成される乾燥単位材料Ｍｓ″が構成される。
【００６９】
図４に示すように、乾燥部Ｍｄ１と被焼結材料Ｍとの混在した単位材料Ｍｓ´の状態では、液滴状に吐出させるために被焼結材料Ｍには、所定の流動性を得るために低い粘性が付与されている。仮に、加熱されていない状態の材料供給領域Ｓに材料飛翔体Ｍｆが着弾した場合、単位材料Ｍｓは材料供給領域Ｓの面に沿って流動しやすくなる。従って、図４に示すように、所定の単位材料Ｍｓの着弾径Ｄｍに対して、大きく拡がった状態の単位材料Ｍｃが形成されてしまう。
【００７０】
そこで、材料供給領域Ｓを第１ランプ４１によって加熱することによって、材料飛翔体Ｍｆが材料供給領域Ｓに着弾直後から溶媒または分散媒とバインダーなどを含む液体成分を蒸発させて、被焼結材料Ｍの粘性を高めた乾燥部Ｍｄ１を形成することによって、着弾径Ｄｓを保持させて単位材料Ｍｓ´を得ることができる。これにより、後述する３次元形成方法において、正確に単位材料Ｍｓ´（あるいはＭｓ″）をプレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３上に配置させることができる。
【００７１】
本実施形態に係る３次元形成装置１０００において、ランプ４１，４２によって単位材料Ｍｓに含まれる溶媒または分散媒とバインダーなどを含む液体成分を蒸発させて乾燥させる状態変化を図６，７によって説明する。図６は乾燥前の状態を示す拡大図、図７は乾燥後の状態を示す拡大図である。
【００７２】
図６に示すように、単位材料Ｍｓは、３次元形成物２００を構成する材料の金属粉末Ｍｍｐが、溶媒または分散媒とバインダーとの組成物Ｍｂ中に略均一に分散した状態でプレート２１、もしくは部分造形物２０３上に着弾している。そこに、ランプ４０から出射された熱線Ｌｈが照射されると、図７に示すように溶媒または分散媒とバインダーとの組成物Ｍｂに含まれる溶媒または分散媒が熱線Ｌｈの熱によって蒸発され、金属粉末Ｍｍｂの周囲に組成物Ｍｂ中に含まれていた液体成分以外の固形分、例えば樹脂成分を含む乾燥後のバインダーＭｂ´が残り、液体成分の体積に対応した空間ｓが形成された乾燥後の乾燥被焼結材料としての単位材料Ｍｓ´が形成される。空間ｓは、互いに連通する連通経路Ｔｓを形成するものがあり、その連通経路Ｔｓは乾燥後の単位材料Ｍｓ″の外部へと連通する。
【００７３】
そして、図３に示すように、乾燥後の乾燥単位材料Ｍｓ″に向けて、第１レーザー照射部８１ａからレーザーＬ１が、第２レーザー照射部８１ｂからレーザーＬ２が、出射される。レーザーＬ１と、レーザーＬ２と、によって乾燥単位材料Ｍｓ″は加熱、焼結される。
【００７４】
この時、レーザーＬ１，Ｌ２は短時間で大きな熱エネルギーを乾燥後の単位材料Ｍｓ´に付与することとなるが、図６に示す乾燥前の単位材料Ｍｓに対してレーザーＬ１，Ｌ２の熱エネルギーを照射すると、単位材料Ｍｓに含まれる溶媒または分散媒などの液体成分が爆発的に蒸発され金属粉末Ｍｍｐを飛散させてしまう虞があった。しかし、単位材料Ｍｓを乾燥させて図７に示す乾燥後の乾燥単位材料Ｍｓ″の状態に対してレーザーＬ１，Ｌ２を照射することで、液体成分の爆発的な蒸発を回避することができ、金属粉末Ｍｍｐの飛散を防止することができる。また、図７に示す乾燥後のバインダーＭｂ´がレーザーＬ１，Ｌ２の熱エネルギーによってガス化し、蒸発される際にも空間ｓ内、あるいは空間ｓの連通経路Ｔｓを通して乾燥単位材料Ｍｓ″の外部へと放出され、金属粉末Ｍｍｐが飛散することなく、焼結させることができる。
【００７５】
吐出口７１ｃから吐出される材料飛翔体Ｍｆは、吐出口７１ｃから図示矢印の重力方向Ｇに向けて吐出されることが好ましい。すなわち、材料飛翔体Ｍｆを確実に着弾位置に向けて飛翔させ、単位材料Ｍｓが所望の位置に配置させることが、重力方向Ｇに材料飛翔体Ｍｆを吐出することで可能になる。そして、重力方向Ｇに向けて吐出され着弾し、乾燥された乾燥単位材料Ｍｓ″に向けて照射されるレーザーＬ１，Ｌ２は、重力方向Ｇに対して交差する方向に照射される。
【００７６】
上述したように、第１ランプ４１によって加熱された材料供給領域Ｓに着弾し加熱乾燥された第２ランプ４２によって加熱乾燥された乾燥後の単位材料Ｍｓ´を、第２ランプ４２によって加熱乾燥させた乾燥単位材料Ｍｓ″が、レーザーＬ１，Ｌ２の照射によって、レーザーＬ１，Ｌ２の照射を受けた乾燥単位材料Ｍｓ″の焼結後の近傍は、第１ランプ４１によって加熱された材料供給領域Ｓの熱エネルギーと、第２ランプ４２からの熱線Ｌｈの熱エネルギーと、レーザーＬ１，Ｌ２の熱エネルギーと、が集中することによって、次に吐出される単位材料Ｍｓは所定の乾燥温度を超えてしまう虞がある。そこで第１温度計５１によって、次に吐出される単位材料Ｍｓの材料供給領域Ｓの温度を測定する、そして、その測定温度データに基づいてランプ出力コントローラー１２０の第１ランプ出力コントローラー１２１によって第１ランプ４１に備える光源４１ａへの出力電力を制御し、次に吐出される単位材料Ｍｓの材料供給領域Ｓの温度を所定の温度範囲にすることができる。更に、着弾後の単位材料Ｍｓ´は第２温度計５２によって温度計測が行われ、その測定温度データに基づいてランプ出力コントローラー１２０の第２ランプ出力コントローラー１２２によって第２ランプ４２に備える光源４２ａへの出力電力を制御し、単位材料Ｍｓ´の乾燥温度を所定の温度範囲にすることができる。
【００７７】
上述したように、本実施形態に係る３次元形成装置１０００に備える材料供給装置７０は、材料吐出部７１から液滴状の材料飛翔体Ｍｆを吐出するものである。従来技術の金属微粉末を材料供給口から噴出させてレーザーなどのエネルギー線によって焼結する形態では、粒子間の付着力が増大する、いわゆる強付着性紛体となり、例えば圧縮空気などで搬送、噴出させると流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損なうこととなっていた。しかし、本実施形態では、材料の被焼結材料Ｍとして平均粒径が１０μｍ以下の金属微粉末と、溶剤と、バインダーと、を含む組成物を用い、優れた流動性を付与することができる。
【００７８】
しかも、高い流動性を付与することによって、微少量の被焼結材料Ｍを液滴状にして材料吐出部７１の吐出口７１ｃから吐出することが可能となり、プレート２１上、もしくは部分造形物２０３上に単位材料Ｍｓを配置させることができる。更に、第１ランプ４１によって材料供給領域Ｓを加熱し、単位材料Ｍｓがプレート２１上、もしくは部分造形物２０３上に着弾直後から乾燥させ、乾燥部Ｍｄ１が形成された単位材料Ｍｓ´とすることで、着弾後の単位材料Ｍｓ´の変形、例えばプレート２１、もしくは部分造形物２０３上面に沿った流れなど、を抑制することができる。すなわち、微少量の造形の連続体としての微細な３次元造形物を形成することができる。
【００７９】
なお、上述した第１実施形態に係る３次元形成装置１０００は、２つのレーザー照射部８１ａ，８１ｂを備える構成であるが、これに限定されない。例えば、１つのレーザー照射部、もしくは３以上のレーザー照射部を備えていてもよい。また、レーザーＬ１，Ｌ２は重力方向Ｇに交差する方向に照射するように、レーザー照射部８１ａ，８１ｂをヘッド３１に装着させているが、これに限定されない。また、本実施形態に係る３次元形成装置１０００では、照射されるエネルギーとしてレーザーＬ１，Ｌ２を用いる形態を説明したが、これに限定されない。被焼結材料Ｍを焼結させる熱量を供給する手段であれば、例えば高周波、ハロゲンランプなどであってもよい。
【００８０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る３次元形成方法は、上述した第１実施形態に係る３次元形成装置１０００よって３次元形成物２００を形成する方法である。第２実施形態に係る３次元形成物２００の製造方法を示すフローチャートを図８に示し、図８に示すフローチャートの各工程における製造方法を図９から図２７に示す。
【００８１】
（３次元造形用データ取得工程）
図８に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形成物２００の３次元造形用データを、図示しない、例えばパーソナルコンピューターなどから制御ユニット１００（図１参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）において取得された３次元造形用データは、制御ユニット１００から、ステージコントローラー１１０と、材料供給コントローラー１３０と、レーザー発振器８２と、ランプ出力コントローラー１２０と、に制御データが送られ、積層開始工程に移行される。
【００８２】
（積層開始工程）
積層開始工程（Ｓ２００）では、３次元形成方法を示す図９に示すように、ステージ２０に載置されたプレート２１に対して、所定の相対位置にヘッド３１が配置される。この時、ＸＹ平面（図１参照）において、上述した３次元造形用データに基づく造形の起点であるステージ２０の座標位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に、材料吐出部７１の吐出ノズル７１ｂの吐出口７１ｃから吐出される液滴状の被焼結材料である材料飛翔体Ｍｆ（図３参照）が着弾するようにプレート２１を備えるステージ２０が移動され、３次元造形物の形成が開始され、単層形成工程に移行される。なお、第１ランプ４１と第１温度計５１と、第２ランプ４２と第２温度計５２と、は説明の便宜上、図面表記ではヘッド３１を挟んで、左右に配置させて説明する。
【００８３】
（単層形成工程）
単層形成工程（Ｓ３００）は、図８に示すように加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、を含んでいる。以下、単層形成工程（Ｓ３００）に含む各工程を説明する。
【００８４】
（加熱工程）
単層形成工程（Ｓ３００）は加熱工程（Ｓ３１０）から始められる。加熱工程（Ｓ３１０）では、図１０に示すように、吐出ノズル７１ｂに導入された供給材料９０が、吐出口７１ｃから吐出され、材料飛翔体９１としてプレート２１の上面２１ａに向けて飛翔し、上面２１ａ上に着弾する材料供給領域Ｓが、第１ランプ４１から放射される熱線Ｌｈ１によって加熱される。熱線Ｌｈ１による材料供給領域Ｓの加熱温度は、供給材料９０に含まれる溶媒または分散媒の沸点未満であって、蒸発を可能とするように設定される。設定される所定温度は、第１温度計５１によって適宜計測され、図１に示す第１ランプ出力コントローラー１２１に送られ、材料供給領域Ｓが適正温度で維持できるよう、第１ランプ４１の入力電力が制御される。
【００８５】
（材料供給工程）
加熱工程（Ｓ３１０）によって材料飛翔体９１が着弾されるプレート２１の上面２１ａにおける材料供給領域Ｓが、所定の温度に加熱されると材料供給工程（Ｓ３２０）に移行される。材料供給工程（Ｓ３２０）は、図１１に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル７１ｂが対向するようにプレート２１が移動し、吐出ノズル７１ｂから、被焼結材料としての供給材料９０が、プレート２１上に向けて液滴状の材料飛翔体９１として吐出口７１ｃから重力方向に吐出される。供給材料９０としては、３次元形成物２００の原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、バインダーと、で混練し、スラリー状（あるいはペースト状）に調整されたものである。
【００８６】
材料飛翔体９１は、プレート２１の上面２１ａに着弾し、単位液滴状材料９２（以下、単位材料９２という）として上面２１ａ上のｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置で形成される。上面２１ａ上に形成された単位材料９２は、単位材料９２部分の拡大断面図を示す図１２のように加熱されたプレート２１の材料供給領域Ｓの熱によって、上面２１ａの近傍では供給材料９０に含まれる溶媒または分散媒などの液体成分が蒸発され、乾燥部９２ｂと、乾燥されない未乾燥部９２ａと、で構成される。ここで、未乾燥部９２ａは、供給材料９０と同じ組成であり、溶媒または分散媒などの液体成分を含む材料である。
【００８７】
供給材料９０は、吐出口７１ｃからの吐出を可能とするために、高い流動性が付与されている。このことによって、材料飛翔体９１がプレート２１の上面２１ａに着弾することで上面２１ａの面に沿って流動、拡散してしまう虞がある。しかし、加熱された材料供給領域Ｓに材料飛翔体９１が着弾すると同時に、その熱によって流動性を失った乾燥部９２ｂが形成され、単位材料９２の所定の着弾径Ｄｓを得ることができる。そして、部分的に乾燥部９２ｂを有する単位材料９２がプレート２１の上面２１ａに供給されると、乾燥工程に移行される。
【００８８】
（乾燥工程）
乾燥工程（Ｓ３３０）は、図１３に示すように材料供給工程（Ｓ３２０）によって、プレート２１の上面２１ａに着弾した単位材料９２に向けて、第２ランプ４２から熱線Ｌｈ２が照射される。この時、プレート２１の単位材料９２の温度が第２温度計５２によって測定され、第２ランプ４２に入力される電力が制御され、所定の乾燥温度となる熱線Ｌｈ２のエネルギーが単位材料９２に照射される。そして、単位材料９２部の拡大図である図１４に示すように、単位材料９２に含まれている未乾燥部９２ａに含まれる溶媒または分散媒などの液体成分が蒸発し、乾燥された乾燥部９３ａとなり、乾燥後の乾燥被焼結材料としての単位材料９３が形成される。これにより、部分的に流動性が低下された乾燥部９２ｂに加えて、未乾燥部９２ａも乾燥された単位材料９３となり、上面２１ａに沿って濡れ広がることが抑制され、単位材料９３はプレート２１の上面２１ａからの高さｈ１（いわゆる肉盛量）を確保することができる。
【００８９】
なお、熱線Ｌｈ２は、単位材料９２の未乾燥部９２ａに含まれる溶媒または分散媒などの液体成分の沸点を超えない温度に単位材料９２を加熱することが好ましい。すなわち、単位材料９２の未乾燥部９２ａに含まれる溶媒または分散媒などが含む液体成分の沸点を超える温度まで単位材料９２を加熱することで、液体成分に突沸を発生させ、単位材料９２中の金属粉末を飛散させる虞があり、これを防止するために、液体成分の沸点を超えない温度での乾燥が好ましい。また、熱線Ｌｈ２は、バインダーの熱分解を溶媒または分散媒の蒸発に用いる温度と同一温度で進めることがより好ましい。
【００９０】
（焼結工程）
乾燥工程（Ｓ３３０）を経て単位材料９３が上面２１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３４０）が開始される。焼結工程（Ｓ３４０）は、図１５に示すように、レーザー照射部８１ａ，８１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が単位材料９３に向けて重力方向に交差するように照射される（図２参照）。レーザーＬ１，Ｌ２が持つエネルギー（熱）によって単位材料９３に含まれる乾燥後のバインダーＭｂ´（図７参照）は熱分解し、金属粉末は粒子同士が結合する、いわゆる焼結されるか、もしくは溶融結合されることによって、金属塊の焼結体９４となってｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置に形成される。レーザーＬ１，Ｌ２の照射は、乾燥後の単位材料９３の材料組成、体積、などの条件によって照射条件が設定され、設定された照射量を単位材料９３に照射した後、照射は停止される。
【００９１】
そして後述するが、上述の加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が繰り返されて、本例では第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１が形成される。部分造形物２０１は、上述の加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、がステージ２０の移動とともにｍ回繰り返され、ｍ回目の単位焼結体９４が、部分造形物２０１の端部となるステージ２０の座標ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）位置に形成される。
【００９２】
そこで、ｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置に焼結体９４が形成されると、加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が、部分造形物２０１が形成されるまでの繰り返し数ｍ回に到達しているか、すなわち吐出ノズル７１ｂがステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）に到達しているか、を判定する形成経路確認工程（Ｓ３５０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３５０）において、繰り返し数ｍ回に到達していない、すなわち吐出ノズル７１ｂにステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図８に示すように、再度、加熱工程（Ｓ３１０）に移行され、図１６に示すように、ステージ２０は、次の単位材料９３の形成位置であるｐ１２（ｘ12，ｙ12）位置に吐出ノズル７１ｂが対向するように駆動される。そして、ｐ１２（ｘ12，ｙ12）位置に吐出ノズル７１ｂが対向したところで、加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が実行され、ｐ１２（ｘ12．ｙ12）位置に焼結体９４が形成される。
【００９３】
焼結体９４の繰り返し形成において、単位材料９３は図１７に示すように配置、形成される。図１７，１８は、図１６に示す単位材料９３が着弾すべきｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置を起点とし、隣り合う単位材料９３の着弾位置であるｐ１２（ｘ12，ｙ12）に着弾した単位材料９３を例示して配置、形成の形態を概念的に説明する図であり、図１７は図１６におけるヘッド３１側からプレート２１方向に見た平面概念図、図１８は図１７に示すＡ−Ａ´部の断面概念図である。
【００９４】
図１７に示すように、着弾位置すなわち焼結体９４の形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に直径がＤｍの単位材料９３が形成され、レーザーＬ１，Ｌ２の照射によって焼結体９４が形成される。レーザーＬ１，Ｌ２の照射によって単位材料９３を焼結することにより、単位材料９３に含まれるバインダーが除去されることにより収縮し、焼結体９４の直径は単位材料９３の直径Ｄｍ（以下、単位材料径Ｄｍという）より小さい焼結体径Ｄｓに形成される。
【００９５】
そして、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に形成された焼結体９４に距離Ｐｍを離間させて隣り合う、形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に単位材料９３が配置、形成される。以下、距離Ｐｍを吐出ドットピッチＰｍという。吐出ドットピッチＰｍ１は、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に形成された焼結体９４と、形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に吐出配置される単位材料９３と、の間に単位材料９３が配置されない領域が生じないよう、重複吐出部９３ｂが形成される。すなわち、単位材料径Ｄｍに対して吐出ドットピッチＰｍは、
Ｐｍ＜Ｄｍ                  （１）
の条件を満たして配置されることが好ましい。
【００９６】
このように吐出ドットピッチＰｍの間隔で単位材料９３が配置されると、図１８に示すように、形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に吐出された単位材料９３の重複吐出部９３ｂに相当する量の材料は、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）の形成された焼結体９４に乗り上げるように乗り上げ部９３ｃを形成する。そして、焼結されることにより形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に形成される焼結体９４は、乗り上げ部９４ｂを形成し、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に形成された焼結体７３と一体化した焼結層を形成する。従って、焼結体９４の未形成部が生じないようにするためには、更に、
Ｐｍ＜（Ｄｍ＋Ｄｓ）／２      （２）
を満足させることが尚好ましい。
【００９７】
そして、図１９に示すように、加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が上述した式（１）あるいは式（２）を満足させながらｍ回繰り返されることにより、部分造形物２０１が形成される。そして、繰り返し数ｍ回目となる吐出ノズル７１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）位置にあるか確認され、「ＹＥＳ」と判定されると、単層形成工程（Ｓ３００）が終了する。
【００９８】
（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ３００）によって、第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１が形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）によって得られた造形データと比較する積層数比較工程（Ｓ４００）に移行される。積層数比較工程（Ｓ４００）では、３次元形成物２００を構成する部分造形物の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ４００）の直前の単層形成工程（Ｓ３００）までで積層された部分造形物の積層数ｎと、を比較する。
【００９９】
積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎと判定された場合、３次元形成物２００の形成が完了したと判定し、３次元形成は終了する。しかし、ｎ＜Ｎと判定された場合、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２の形成方法を示す断面図である図２０に示すように、再度、積層開始工程（Ｓ２００）が実行される。このとき、ステージ２０は、吐出口７１ｃおよびレーザー照射部８１ａ，８１ｂと、第１層の部分造形物２０１の厚みｈ１相当分が離間するように、Ｚ軸方向に移動される。更に３次元造形データに基づく第２層目の造形の起点であるステージ２０の座標位置ｐ２１（ｘ21，ｙ21）に、材料吐出部７１の吐出ノズル７１ｂの吐出口７１ｃから吐出される液滴状の被焼結材料である材料飛翔体９１が着弾するようにプレート２１を備えるステージ２０が移動され、３次元造形物の第２層目の形成が開始され、第２層目の単層形成工程（Ｓ３００）に移行される。
【０１００】
以降、上述した第１層目の部分造形物２０１の形成を示す図９〜図１９と同様に、単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。先ず、加熱工程（Ｓ３１０）として、図２１に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル７１ｂが対向するようにステージ２０の移動に伴ってプレート２１が移動し、吐出ノズル７１ｂに導入された供給材料９０が、吐出口７１ｃから吐出され、材料飛翔体９１として部分造形物２１０の上面２０１ａに向けて飛翔し、上面２０１ａ上に着弾する材料供給領域Ｓが、第１ランプ４１から放射される熱線Ｌｈ１によって加熱される。
【０１０１】
加熱工程（Ｓ３１０）によって材料飛翔体９１が着弾される部分造形物２０１の上面２０１ａにおける材料供給領域Ｓが、所定の温度に加熱されると材料供給工程（Ｓ３２０）に移行される。材料供給工程（Ｓ３２０）は、図２２に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル７１ｂが対向するようにプレート２１が移動し、吐出ノズル７１ｂから、被焼結材料としての供給材料９０が、プレート２１上に向けて液滴状の材料飛翔体９１として吐出口７１ｃから重力方向に吐出される。
【０１０２】
材料飛翔体９１は、部分造形物２０１の上面２０１ａに着弾し、単位材料９２として上面２０１ａ上のｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置で形成される。上面２０１ａ上に形成された単位材料９２は、部分造形物２０１の材料供給領域Ｓの熱によって、上面２０１ａの近傍では供給材料９０に含まれる溶媒または分散媒などの液体成分が蒸発し、図１２に示し、説明したように、乾燥部９２ｂと、乾燥されない未乾燥部９２ａと、で構成される。
【０１０３】
材料飛翔体９１は、部分造形物２０１の上面２０１ａに着弾し、単位材料９２として上面２０１ａに配置され、ｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置での材料供給工程（Ｓ３２０）が終了し、部分造形物２０１の上面２０１ａに高さｈ２（いわゆる肉盛量）の単位材料９２が形成される。この、部分造形物２０１上に配置される単位材料９２は、図２３に示すように配置される。
【０１０４】
図２３は、図２２に示す部分造形物２０１の上面２０１ａ上に着弾すべきｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置に第２層目の部分造形物２０２を構成する単位材料９２が、下層の部分造形物２０１の一部を構成する互いに隣り合う形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）の３つの焼結体９４に着弾させた状態を例示して配置、形成の形態を概念的に説明する平面概念図である。なお、説明の便宜上、第１層目の部分造形物２０１を構成する焼結体９４は２点鎖線で描き、第２層目の部分造形物２０２を形成する単位材料９２は実線で描いてある。また、部分造形物２０１に含む焼結体９４の形成位置座標ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）は「●」で表示し、部分造形物２０２を形成する単位材料９２の形成位置座標ｐ２１（ｘ21，ｙ21）は「×」で表示する。
【０１０５】
図２３に示すように、第２層目の部分造形物２０２を構成する単位材料９２の形成位置ｐ２１（ｘ21，ｙ21）は、下層の部分造形物２０１の一部を構成する互いに隣り合う焼結体９４の形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）を繋ぐ三角形領域Ｔｒ（網掛けハッチング部）に重なるように配置される。この時、互いに隣り合う焼結体９４の形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）のそれぞれの距離Ｐｍ１，Ｐｍ２，Ｐｍ３と、焼結体７３の焼結径Ｄｓと、は、
Ｐｍ１＜Ｄｓ
Ｐｍ２＜Ｄｓ
Ｐｍ３＜Ｄｓ
の条件が満足されて形成さている。
【０１０６】
このように第２層目の部分造形物２０２を構成する単位材料９２が配置されることによって、第１層目の部分造形物２０１において、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）に形成された隣り合う焼結体９４によって未重複部が生じても、第２層目の部分造形物２０２を形成する単位材料９２が上層に重複して形成されることで、３次元形成物２００内部に未形成部によって生じる内部空隙などの欠陥部の発生を防止することができる。
【０１０７】
単位材料９２が部分造形物２０１の上面２０１ａに配設されると、乾燥工程（Ｓ３３０）に移行される。乾燥工程（Ｓ３３０）は、図２４に示すように材料供給工程（Ｓ３２０）によって、部分造形物２０１の上面２０１ａに着弾した単位材料９２に向けて、第２ランプ４２から熱線Ｌｈ２が照射される。この時、単位材料９２の温度が第２温度計５２によって測定され、第２ランプ４２に入力される電力が制御され、所定の乾燥温度となる熱線Ｌｈ２のエネルギーが単位材料９２に照射される。そして、液体成分が蒸発し乾燥した乾燥後の単位材料９３が形成され、単位材料９３は部分造形物２０１の上面２０１ａからの高さｈ２（いわゆる肉盛量）を確保することができる。
【０１０８】
乾燥工程（Ｓ３３０）を経て単位材料９３が上面２０１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３４０）が開始される。焼結工程（Ｓ３４０）は、図２５に示すように、レーザー照射部８１ａ，８１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が乾燥後の単位材料９３に向けて照射され、レーザーＬ１，Ｌ２が持つエネルギー（熱）によって単位材料９３は焼結されて焼結体９４となる。そして、上述の加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が繰り返されて、第１層目の部分造形物２０１の上面２０１ａ上に、第２層目の部分造形物２０２が形成される。部分造形物２０２は、上述の加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、がステージ２０の移動とともにｍ回繰り返され、ｍ回目の焼結体９４が、部分造形物２０２の端部となるステージ２０の座標ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）位置に形成される。
【０１０９】
そこで、Ｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置に焼結体９４が形成されると、加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ２３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が、第２層目の部分造形物２０２として形成されるまでの繰り返し数ｍ回に到達しているか、すなわち吐出ノズル７１ｂがステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）に到達しているか、を判定する形成経路確認工程（Ｓ３５０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３５０）において、繰り返し数ｍ回に到達していない、すなわち吐出ノズル７１ｂがステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図２６に示すように、再度、加熱工程（Ｓ３１０）に移行され、ステージ２０は、次の単位材料９２の形成位置であるｐ２２（ｘ22，ｙ22）位置に吐出ノズル７１ｂが対向するように駆動される。そして、ｐ２２（ｘ22，ｙ22）位置に吐出ノズル７１ｂが対向したところで、加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、が実行され、ｐ２２（ｘ22．ｙ22）位置に焼結体９４が形成される。
【０１１０】
そして、図２７に示すように、加熱工程（Ｓ３１０）と、材料供給工程（Ｓ３２０）と、乾燥工程（Ｓ３３０）と、焼結工程（Ｓ３４０）と、がｍ回繰り返されることにより、第２層目の部分造形物２０２が形成される。そして、繰り返し数ｍ回目となる吐出ノズル７１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）位置にあるか確認され、「ＹＥＳ」と判定されると、第２層目の単層形成工程（Ｓ３００）が終了する。なお、第２層目の部分造形物２０２を形成する場合であっても、図１７および図１８で説明したように、式（１）あるいは式（２）が満足されるように、部分造形物２０１の上面２０１ａに単位材料９２が配置される。
【０１１１】
そして、再度、積層数比較工程（Ｓ４００）に移行し、ｎ＝Ｎとなるまで、積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、が繰り返され、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００を用いて３次元形成物２００を形成することができる。なお、第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１の上に、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２を形成する積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、を実行させることを上述の適用例における積層工程とよび、積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎ、と判定されるまで繰り返される。
【０１１２】
（第３実施形態）
第３実施形態として、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００を用い、第２実施形態に係る３次元形成方法によって得られる３次元形成物２００を説明する。なお、本明細書における「３次元形成物」とは、いわゆる立体造形物として形成されるものを示すものであり、例えば、平板状、いわゆる２次元形状の形成物であっても、厚みを有する形状であれば、３次元形成物に含まれる。
【０１１３】
図２８は３次元形成装置１０００のプレート２１上に形成された第３実施形態に係る３次元形成物２００を模式的に示す断面図である。なお、図２８に示す３次元形成物２００の形状、形態には特に限定はなく、本例では説明の便宜上、図示しないが矩形平板を積層した形態とした。そして、図２８に示すように、３次元形成物２００は、ステージ２０と、少なくとも材料吐出部７１に備える吐出ノズル７１ｂと、レーザー照射部８１ａ，８１ｂと、を備えるヘッド３１とランプ４１，４２と、が相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動され、部分造形物２０１，２０２，２０３，…，２０Ｎまで積層されて形成される。各部分造形物、例えば部分造形物２０１を例にして、形成される形態を説明する。
【０１１４】
図２９に示すように、本実施形態に係る３次元形成物２００では、各部分造形物は、図示矢印Ｆｘ方向にヘッド３１を移動させて材料吐出部７１から材料を吐出し単位材料９３をプレート２１上に形成し、レーザーＬ１，Ｌ２を照射し焼結体９４を、例えば図示する形成位置ｍ１，ｍ２，ｍ３の順に順次形成しながら（図１５，１６参照）、Ｆｘ方向の所定の領域に焼結体９４の形成が終了するとＦｙ方向にヘッド３１を移動させ、Ｆｘ方向の所定の領域に焼結体９４を形成する、ヘッド３１の走査形態を例示する。このようにヘッド３１を走査させることにより、焼結体９４の集合体の焼結単層としての部分造形物２０１が形成される。
【０１１５】
図２９に示すヘッド３１の走査によって形成される焼結体９４は、図３０，３１に示すように配置される。図３０に示すように、形成位置ｍ１に形成された焼結体９４に隣り合うように形成位置ｍ２に焼結体９４が形成される。形成位置ｍ１における焼結体９４と、形成位置ｍ２における焼結体９４と、は図１７で説明した距離Ｐｍに相当する距離Ｐｓ１、すなわちドットピッチＰｓ１を有して形成されている。
【０１１６】
ドットピッチＰｓ１は、形成位置ｍ１における焼結体９４と、形成位置ｍ２における焼結体９４と、の間に焼結体９４の未成形部が生じないよう、重複部９４ａが形成される。すなわち、焼結体９４の形成直径、すなわち焼結体径Ｄｓに対して、
Ｐｓ１＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されることが好ましい。
【０１１７】
図３１は、図３０に示す形成位置ｍ２と隣り合う形成位置ｍ３に形成される焼結体９４の配置を示す。形成位置ｍ２における焼結体９４と、形成位置ｍ３における焼結体９４と、は距離Ｐｓ２を有して形成されている。以下、距離Ｐｓ２をドットピッチＰｓ２という。ドットピッチＰｓ２は、形成位置ｍ２における焼結体９４と、形成位置ｍ３における焼結体９４と、の間に焼結体９４の未成形部が生じないよう、重複部９４ａが形成される。すなわち、焼結体９４の形成直径Ｄｓに対して、
Ｐｓ２＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されることが好ましい。
【０１１８】
このように、図３１に示す走査方向Ｆｘに形成される焼結体９４は、隣り合う焼結体９４のドットピッチＰｓ１，Ｐｓ２をドットピッチＰｓとすると、
Ｐｓ＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されるよう、ヘッド３１の走査を制御することが好ましい。尚且つ、隣り合う焼結体９４によって形成される焼結領域を広くするために、
Ｐｓ≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の条件を満たすことがより好ましい。
【０１１９】
図３２，３３は、図３０，３１に示す走査方向Ｆｘに沿って形成された１列目の焼結体９４に対して、走査方向Ｆｙに沿ってヘッド３１をラインピッチＱ１分移動させ、２列目の焼結体９４を形成する場合の焼結体の配置を説明する概念図である。
【０１２０】
図３２に示すように、１列目の形成位置ｍ１に形成される焼結体９４と、１列目の形成位置ｍ１に形成される焼結体９４と隣り合う２列目の形成位置ｍ２１に形成される焼結体９４と、の中心間距離であるドットピッチＰｓ２１は、上述した１列目の隣り合う焼結体９４の関係と同様に、
Ｐｓ２１＜Ｄｓ
を満足し、
Ｐｓ２１≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦Ｐｓ２１／Ｄｓ＜１．０
であることが好ましい。
【０１２１】
また、１列目の形成位置ｍ１と隣り合う形成位置ｍ２に形成される焼結体９４と、１列目の形成位置ｍ２に形成される焼結体９４と隣り合う２列目の形成位置ｍ２１に形成される焼結体９４と、の中心間距離であるドットピッチＰｓ２２は、上述した１列目の隣り合う焼結体９４の関係同様に、
Ｐｓ２２＜Ｄｓ
を満足し、
Ｐｓ２２≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦Ｐｓ２２／Ｄｓ＜１．０
であることが好ましい。
【０１２２】
上述したように、形成位置ｍ１，ｍ２，ｍ２１に形成される焼結体９４、すなわち互いに隣り合う焼結体９４のドットピッチＰｓ１，Ｐｓ２１，Ｐｓ２２を、隣り合う焼結体９４の焼結体中心の距離としてのドットピッチＰｓとすると、
Ｐｓ＜Ｄｓ
であり、
Ｐｓ≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
であることが好ましい。このような関係で、形成位置ｍ１，ｍ２，ｍ２１を中心とする焼結体９４は、互いに重複部９４ａ，９４ｂ，９４ｃを有することができる。
【０１２３】
図３３は、２列目の形成位置ｍ２１に形成された焼結体９４に隣り合うように形成位置ｍ２２に焼結体９４が形成された形態を示す。図３３に示すように、形成位置ｍ２２に形成される焼結体９４は、形成位置ｍ２と形成位置ｍ２１とに形成される焼結体９４と隣り合う位置に形成される。さらに、形成位置ｍ２２に形成される焼結体９４は、形成位置ｍ２と形成位置ｍ３とに形成される焼結体９４と隣り合う位置に形成される。
【０１２４】
形成位置ｍ２２と形成位置ｍ２と、の中心間距離をドットピッチＰｓ２３、形成位置ｍ３と形成位置ｍ２２と、の中心間距離をドットピッチＰｓ２４、形成位置ｍ２１と形成位置ｍ２２と、の中心間距離をドットピッチＰｓ３１、とした場合、それぞれの関係は上述した関係を満たしている。すなわち、
０．５≦Ｐｓ２３／Ｄｓ＜１．０
０．５≦Ｐｓ２４／Ｄｓ＜１．０
０．５≦Ｐｓ３１／Ｄｓ＜１．０
である。これら互いに隣り合う焼結体９４のドットピッチＰｓ２３，Ｐｓ２４，Ｐｓ３１を、隣り合う焼結体９４の中心間距離としてのドットピッチＰｓとすると、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係となる。
【０１２５】
上述したドットピッチ関係を満たしながら焼結体９４を形成し、集合体の焼結単層としての部分造形物２０１を得ることができる。このようにして得られる部分造形物２０１は、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係を満足させながら、ドットピッチＰｓをより焼結体９４の直径Ｄｓに近づける、すなわちＰｓ／Ｄｓを１．０に近づけることで、短時間で部分造形物２０１を形成することができ、生産性を高めることができる。またＰｓ／Ｄｓを０．５に近づけることで、隣り合う焼結体９４が緻密に集合された焼結単層としての部分造形物２０１を形成することができ、精密な造形を可能とする。
【０１２６】
上述した第一の単層としての部分造形物２０１に、第二の単層としての部分造形物２０２を積層させる場合の焼結体９４の形成形態を図３４，３５に示す。なお、図３５では、説明の便宜上、第一の単層としての部分造形物２０１は２点鎖線で描き、第二の単層としての部分造形物２０２は実線で描いてある。また、部分造形物２０１に含む焼結体９４の形成位置中心は「●」で表示し、部分造形物２０２に含む焼結体９４の形成位置中心は「×」で表示する。
【０１２７】
図３４，３５に示す第二の単層としての部分造形物２０２を形成する場合、図３１，３２，３３を用いて説明した第一の単層としての部分造形物２０１に対して、次のように焼結体９４が配置される。図３４は、第二の単層としての部分造形物２０２に含まれる焼結体９４の一部として、焼結体９４の形成位置ｎ１と形成位置ｎ２と、の２つの焼結体９４を例示している。
【０１２８】
図３４に示すように、第二の単層としての部分造形物２０２に含まれる形成位置ｎ１に形成される焼結体９４は、下層の部分造形物２０１の第１の焼結体として形成位置ｍ１に形成された焼結体９４の形成位置ｍ１と、第２の焼結体として形成位置ｍ２に形成された焼結体９４の形成位置ｍ２と、第３の焼結体としての形成位置ｍ２１に形成された焼結体９４の形成位置ｍ２１と、を結ぶ３角形領域Ｔｒ１の平面視における領域内に、形成位置ｎ１が重なるように配置される。
【０１２９】
同様に、形成位置ｎ２に形成される焼結体９４は、下層の部分造形物２０１の焼結体９４の形成位置ｍ２と、形成位置ｍ３と、形成位置ｍ２２と、を結ぶ３角形領域Ｔｒ２の平面視における領域内に、形成位置ｎ２が重なるように配置される。
【０１３０】
さらに、形成位置ｎ１および形成位置ｎ２、および図示しない部分造形物２０２に含まれる図示されない焼結体９４は、部分造形物２０１と同様に、形成位置の中心距離、すなわち隣り合う焼結体９４の中心間距離としてのドットピッチＰｓが、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係を同時に満足されるように、焼結体９４が配置されることが好ましい。
【０１３１】
このように第二の単層としての部分造形物２０２に形成される焼結体９４は、例えば図３５に示すように、第一の単層としての部分造形物２０１において隣り合う焼結体９４、本例では形成位置ｍ１，ｍ２，ｍ２１に形成される焼結体９４の各々のドットピッチＰｓが、焼結体９４の直径Ｄｓの値と近い値で配置されると、隣り合う焼結体９４の間に焼結体未形成部２００ａが残留する場合がある。しかし、上述した図３４に示すように、部分造形物２０２に含まれる形成位置ｎ１に形成される焼結体９４が、下層の部分造形物２０１に含む焼結体９４の形成位置ｍ１と、形成位置ｍ２と、形成位置ｍ２１と、を結ぶ３角形領域Ｔｒ１の平面視における領域内に、形成位置ｎ１が重なるように配置され、図３５に示すように、形成位置ｎ１に焼結体９４が形成されることで、焼結体未形成部２００ａを埋めるように部分造形物２０２の焼結体９４は形成される。これにより、３次元形成物の内部に焼結体に未成形部、言い換えると欠陥部となり得る領域を埋めながら、３次元形成物を得ることができる。
【０１３２】
上述した第一の単層としての部分造形物２０１上に、第二の単層としての部分造形物２０２を積層させた後、第二の単層とした部分造形物２０２を新たな第一の単層としての部分造形物２０２として、第一の単層としての部分造形物２０２上に第二の単層としての部分造形物２０３が形成される。このように新たな第一の単層上に第二の単層を積層することを繰り返し、単層が順次形成されることで３次元形成物２００を得ることができる。
【０１３３】
図３０，３１，３２で説明したように、焼結体９４の配置を、ドットピッチＰｓと、焼結体９４の形成直径Ｄｓと、の関係を、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
とすることで、図３１に示すＢ−Ｂ´部の断面図である図３６に示すように、隣り合う焼結体９４の間には重複部９４ａ（図示する斜線ハッチング部）が生じる。
【０１３４】
形成位置ｍ１の形成された焼結体９４に隣り合う形成位置ｍ２に、単位材料９２（図１１参照）が供給されると、重複部９４ａに相当する形成位置ｍ２へ供給される単位材料９２の一部が、形成位置ｍ１に形成された焼結体９４に乗り上げるように乗り上げ部９４ｂを形成し、隣り合う焼結体９４によって構成される窪み９４ｅを乗り上げ部９４ｂが埋めるように形成位置ｍ２の焼結体９４が形成される。
【０１３５】
更に、形成位置ｍ３に形成される焼結体９４においても、上述同様に形成位置ｍ２と、形成位置ｍ３と、に形成される焼結体９４によって構成される窪み９４ｅを乗り上げ部９４ｂが埋めるよう形成位置ｍ３の焼結体９４が形成される。このように、窪み９４ｅが乗り上げ部９４ｂによって埋められることにより、焼結体９４の集合体である部分造形物２０１の上面をより平滑な面に形成することができる。
【０１３６】
上述したように焼結体９４が形成、集合されて、焼結体９４の集合体としての部分造形物２０１，２０２，２０３，…，２０Ｎが積層されることにより３次元形成物２００を得ることができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１０…基台、１１…駆動装置、２０…ステージ、２１…試料プレート、３０…ヘッド支持部、３１…ヘッド、３２…支持アーム、４１，４２…ハロゲンランプ、５１，５２…温度計、６０…ランプ支持部、７０…材料供給装置、７１…材料吐出部、７２…材料供給ユニット、８０…レーザー照射装置、８１…レーザー照射部、８２…レーザー発振器、１００…制御ユニット、１１０…ステージコントローラー、１２０…ランプ出力コントローラー、１３０…材料供給コントローラー、１０００…３次元形成装置。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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