(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の一次粒子と、前記金属の酸化物の一次粒子と、バインダーと、を用いて、前記バインダーを除く体積における前記金属の一次粒子の体積が所定の体積比率となるようにされている二次粒子を造粒する造粒工程と、
前記二次粒子を積層して三次元造形物を作製する積層造形工程と、
加熱により、前記三次元造形物中の前記金属の一次粒子を酸化させつつ前記金属の酸化物の一次粒子と反応させて焼結させることにより焼結体を作製する焼結工程と、を備え、
前記所定の体積比率は、焼結に伴う体積収縮と、前記金属の一次粒子を構成している金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺可能な比率として設定されている、
三次元造形方法。
【請求項２】
前記金属は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅあるいはＷから選択される少なくとも一種の金属である、
請求項１記載の三次元造形方法。
【請求項３】
選択された金属がＡｌである場合には、前記金属の酸化物は、Ａｌ２Ｏ３であり、前記二次粒子中のＡｌ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜７０％とし、
選択された金属がＺｒである場合には、前記金属の酸化物は、ＺｒＯ２であり、前記二次粒子中のＺｒ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜５０％とし、
選択された金属がＳｉである場合には、前記金属の酸化物は、ＳｉＯ２であり、前記二次粒子中のＳｉ(金属)の前記バインダーを除いた体積を１０％〜３０％とし、
選択された金属がＴｉである場合には、前記金属の酸化物は、ＴｉＯ２であり、前記二次粒子中のＴｉ(金属)の前記バインダーを除いた体積を１０％〜４０％とし、
選択された金属がＨｆである場合には、前記金属の酸化物は、ＨｆＯ２であり、前記二次粒子中のＨｆ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜５０％とし、
選択された金属がＹである場合には、前記金属の酸化物は、Ｙ２Ｏ３であり、前記二次粒子中のＹ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜５０％とし、
選択された金属がＮｉである場合には、前記金属の酸化物は、ＮｉＯであり、前記二次粒子中のＮｉ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜５０％とし、
選択された金属がＣｕである場合には、前記金属の酸化物は、ＣｕＯであり、前記二次粒子中のＣｕ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜４０％とし、
選択された金属がＣｏである場合には、前記金属の酸化物は、ＣｏＯであり、前記二次粒子中のＣｏ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜４０％とし、
選択された金属がＦｅである場合には、前記金属の酸化物は、Ｆｅ２Ｏ３であり、前記二次粒子中のＦｅ(金属)の前記バインダーを除いた体積を２０％〜３０％とし、
選択された金属がＷである場合には、前記金属の酸化物は、ＷＯ３であり、前記二次粒子中のＷ(金属)の前記バインダーを除いた体積を５％〜１５％とする、
請求項２記載の三次元造形方法。
【請求項４】
積層造形工程で作成された前記三次元造形物に冷間で等方圧を印加する加圧工程を備え、
前記焼結工程は、前記等方圧の印加後の前記三次元造形物を加熱して前記焼結体を作製する、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の三次元造形方法。
【請求項５】
前記三次元造形物は、凹部を有し、
前記積層造形工程の後段であって、前記加圧工程の前段に前記加圧工程において前記凹部の形状を保持するとともに、前記焼結工程における加熱により除去可能な材料で形成された中子部材を充填する充填工程を備えた、
請求項４記載の三次元造形方法。
【請求項６】
前記一次粒子は、外観形状が異なる複数種類の一次粒子を含む、
請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の三次元造形方法。
【請求項７】
前記一次粒子は、基材と前記焼結を助けるための焼結助剤と、を含む
請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の三次元造形方法。
【請求項８】
前記一次粒子は、そのサイズがナノオーダーのナノ粒子を含む、
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の三次元造形方法。
【請求項９】
前記二次粒子として複数種類の二次粒子を用いる、
請求項１乃至請求項８のいずれか一項記載の三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元造形物を造形する三次元造形方法として、例えば、造形ステージ上に粉体層を形成する粉体層形成工程と、堆積された粉体層の所定領域にインクジェットヘッドから結着剤を吐出し、硬化層を形成する結着工程と、を繰り返して、三次元造形物を造形する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０８０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、粉体の粒径を小さくすると、粒子間相互作用により凝集が起こり均一な粉体層の形成が困難となり、ひいては、均質な三次元造形物の製造は困難となる。従って、良好な粉体層を形成するには数１０μｍ級の粒径が必要とされ、したがって、粒子間の隙間が大きく、製造した三次元造形物の密度や強度が低くなってしまうと言う不具合が生じる。
また、粒径や材質が異なる複数の材料を混合して用いる場合には、粉体層中にそれらの材料を均一に分散することが困難であり、均質な三次元造形物を得ることは困難となっていた。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、三次元造形物の密度や強度を向上できるとともに、複数の材料を混合して用いる場合でも均質な三次元造形物を得ることが可能な三次元造形方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の三次元造形方法の造粒工程は、金属の一次粒子と、金属の酸化物の一次粒子と、バインダーと、を用いて、バインダーを除く体積における金属の一次粒子の体積が所定の体積比率となるようにされている二次粒子を造粒する。
積層造形工程は、二次粒子を積層して三次元造形物を作製する。
焼結工程は、加熱により、三次元造形物中の前記金属の一次粒子を酸化させつつ前記金属の酸化物の一次粒子と反応させて焼結させることにより焼結体を作製する。
ここで、所定の体積比率は、焼結に伴う体積収縮と、前記金属の一次粒子を構成している金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺可能な比率として設定されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態の三次元造形システムの概要構成及び工程説明図である。
【図２】図２は、三次元プリンタの概要構成断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態の三次元造形方法の概念説明図である。
【図４】図４は、加圧時の二次粒子の状態説明図である。
【図５】図５は、第２実施形態の三次元造形システムの概要構成及び工程説明図である。
【図６】図６は、第２実施形態の三次元造形方法の概念説明図である。
【図７】図７は、第２実施形態の三次元造形方法で作成される凹部（中空部）を有する三次元造形物の一例の外観斜視図である。
【図８】図８は、一次粒子の組合せの一例の説明図である。
【図９】図９は、実施形態の変形例の三次元プリンタを概略的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、造形槽及び供給装置の要部を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、実施形態の第２変形例の三次元プリンタを概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の三次元造形システムの概要構成及び工程説明図である。
第１実施形態の三次元造形システム１０は、それぞれ外形形状が異なる一次粒子を調整する複数（図１では、二つ）の原料調整装置１１（第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２）と、第１原料調整装置１１−１により調整した一次粒子と、第２原料調整装置１１−２により調整した一次粒子をバインダ（結着剤）とともに混合し、造粒して二次粒子を製造する造粒装置１２と、いわゆる三次元プリンタとして構成され、二次粒子を積層して三次元造形物を作製する積層造形装置１３と、積層造形装置１３により作製された三次元造形物をゴム型に入れて等方圧を印加する成形装置（ＣＩＰ：Cold  Isostatic  Pressing）１４と、等方圧印加後の三次元造形物を所定の昇降温パターンに従って加熱して焼結を行い、焼結体を得る焼結装置１５と、を備えている。
【０００９】
まず、原料調整装置１１について説明する。
ここで、第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２は、同様の構成であるので、まとめて説明する。
【００１０】
まず、一次粒子の材料について説明する。
一次粒子の材料としては、ＳｉＯ２、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコン（ＺｒＯ２・ＳｉＯ２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ２）等の酸化物材料（金属酸化物）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ホウ素ＢＮ等の窒化物材料（金属窒化物）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の炭化物材料等が挙げられる。
【００１１】
また、一次粒子の外観形状としては、球状、楕円体状、針状、板状等様々な形状が考えられるが、第１原料調整装置１１−１と第２原料調整装置１１−２とで形成される一次粒子は、外観形状が異なるのが好ましい。また、外観形状が同様の場合には、粒度分布が異なるのが好ましい。これは、成形装置１４において加圧成形時に二次粒子が塑性変形することにより二次粒子間の隙間を埋めて、緻密化させるためである。
【００１２】
第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２としては、固相法、液相法あるいは気相法などにより製造された粉末状のセラミックス原材料（主材）にバインダ等の助剤を適宜加えて、粉砕、分散、混合などを行う装置が用いられる。例えば、第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の粉砕・混合装置が用いられ、さらに必要に応じて、スプレードライヤ等が用いられる。
【００１３】
次に造粒装置１２について説明する。
造粒装置１２は、第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２で調整された一次粒子が所定の比率で投入されて、所定のバインダが助剤として投入されて二次粒子とする造粒を行う。例えば、造粒装置としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の粉砕・混合装置が用いられる。
【００１４】
次に積層造形装置１３としての三次元プリンタ１３Ａについて説明する。
図２は、三次元プリンタの概要構成断面図である。
三次元プリンタ１３Ａは、三次元造形を行うための清浄な空間（特に材料の酸化防止）を確保するための処理室２１と、三次元造形物を形成するための原料（二次粒子）が格納される材料槽２２と、三次元造形を実際に行う造形槽２３と、材料槽２２に格納された原料を造形槽２３に供給するワイパ装置２４と、造形槽２３にワイパ装置２４により供給された層単位の原料（二次粒子）に対し、スライスデータに対応する各層における三次元造形物に相当する位置（パターン）にレーザ光を照射する光学装置２５と、材料槽２２、造形槽２３、ワイパ装置２４及び光学装置２５の制御を行う制御部２６と、を備えている。
【００１５】
上記構成において、処理室２１は、密閉空間を構成しており、処理室２１内には、材料槽２２、造形槽２３、ワイパ装置２４及び光学装置２５が所定位置に配置されている。そして、処理室２１内には、図示しないガス供給装置から処理室内を清浄に保つために窒素、アルゴン等の不活性ガスが供給口２１Ａを介して供給されて、三次元造形時に発生した余分なガス成分などを処理室２１外に排出口２１Ｂを介して排気するようにされている。
【００１６】
材料槽２２には、その内部に載置台２２Ａが油圧昇降装置２２Ｂにより昇降可能に設けられている。この載置台には、原料である二次粒子Ｐ２０が載置されており、三次元造形時には、所定の造形ステップ毎に載置台が上昇し、所定の層厚に相当する量の原料を当該材料槽２２の上方に移動させる。
【００１７】
造形槽２３には、その内部に、ワイパ装置２４により材料槽２２から原料が供給されるとともに、造形後の三次元造形物を載置するための載置台２３Ａが油圧昇降装置２３Ｂにより昇降可能に設けられている。この載置台２３Ａ上には、必要に応じて原料及び造形後の三次元造形物を保持するためのベースプレート２３Ｃが載置されている。
ここで、三次元造形物ＭＤは、所定の層厚さの単位で積層造形がなされるため、三次元造形時には、載置台２３Ａは、油圧昇降装置２３Ｂにより所定の層厚単位でステップ的に下降されることとなる。
【００１８】
ワイパ装置２４は、スキージングブレードを備え、図２中、左右に駆動され、材料槽２２の上方に移動させられた所定の層厚に相当する量の原料を造形槽２３に均等な厚さとなるように均しつつ、供給する。
【００１９】
光学装置２５は、造形槽２３の上部に配置されている。光学装置２５は、例えば、発振素子を有し、レーザ光Ｌを出射する光源と、レーザ光Ｌを平行光とするコリメータ（コリメートレンズ：変換レンズ）と、平行光とされたレーザ光を偏向するためのガルバノミラー等で構成されたスキャナと、スキャナにより偏向されたレーザ光（ビーム）を平らな像面に集光させ、走査させるための集光レンズ（ｆ−θレンズ）と、を含む光学系を備えている。
【００２０】
制御部２６は、いわゆるマイクロコンピュータとして構成されており、例えば、ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び通信インタフェース等のコンピュータとしての基本構成を備えており、通信線を介して材料槽２２あるいは造形槽２３を構成する油圧昇降装置２２Ｂ、２３Ｂ、ワイパ装置２４を構成するスキージングブレードの図示しない駆動機構、光学装置２５を構成する光学系の制御を行う。
【００２１】
成形装置１４は、高圧容器と、高圧容器内を満たす液体（圧媒：圧力伝達媒体）を加圧するポンプ等の図示しない加圧装置と、を備えている。
焼結装置１５は、加熱用ヒータを備え、電気炉等として構成されている。
【００２２】
次に第１実施形態の三次元造形方法について再び図１を参照して説明する。
図３は、第１実施形態の三次元造形方法の概念説明図である。
まず、第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２は、それぞれ対応する粉末状のセラミックス原材料（主材）及びバインダ等の助剤が投入されると、粉砕、分散、混合などを行って一次粒子の分散液を調製する（一次粒子製造工程：一次粒子調製工程）。
【００２３】
具体的には、図３（ａ）に示すように、第１原料調整装置１１−１では、図３中、黒色柱状粒子として示す一次粒子Ｐ１１が製造され、第２原料調整装置１１−２では、図３中、白色球状粒子として示す一次粒子Ｐ１２が製造される。
このとき、一次粒子Ｐ１１及び一次粒子Ｐ１２の大きさは、数μｍ以下となっている。
【００２４】
また、一次粒子Ｐ１１及び一次粒子Ｐ１２としてｎｍサイズのいわゆるナノ粒子を用いることも可能である。これにより一層反応性を高くでき、より緻密で強度が高い三次元造形物を得ることが可能となる。
【００２５】
そして、第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２により製造された２種類の一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２は、所定の比率で造粒装置１２に投入される。
造粒装置１２は、一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２に所定のバインダ（所定の光硬化樹脂および必要な場合に焼結助剤を含む）が助剤として投入され、二次粒子とする造粒を行う（二次粒子製造工程）。
【００２６】
具体的には、図３（ｂ）に示すように、造粒装置１２により、２種類の一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２が所定の比率で含まれた造粒粉である二次粒子Ｐ２０が製造される。
このとき、二次粒子Ｐ２０の大きさは、数十μｍとなっており、粉体槽を形成するのに十分な大きさとされている。
【００２７】
続いて、造粒装置１２により造粒された二次粒子Ｐ２０は、積層造形装置１３としての三次元プリンタ１３Ａの材料槽２２に投入される。
その後、処理室２１内には、図示しないガス供給装置から処理室２１内を清浄に保つために窒素、アルゴン等の不活性ガスが供給されて満たされた状態とされる。
【００２８】
一方、材料槽２２に投入された二次粒子Ｐ２０は、材料槽２２の最上部まで満たし、かつ、均等な高さとなるように投入される。この状態で、制御部２６は、ワイパ装置２４を制御し、ワイパ装置２４のスキージングブレードは、図２中、左右に駆動され、材料槽２２の上方に移動させられた所定の層厚に相当する量の二次粒子（原料）Ｐ２０を造形槽２３に均等な厚さとなるように均しつつ、供給する。
【００２９】
そして造形槽２３において所定の槽厚とされた二次粒子Ｐ２０は、制御部２６の制御下で光学装置２５により、積層造形がなされる（積層造形工程）。
具体的には、造形槽２３の上部に配置された光学装置２５の光源は、発振素子によりレーザ光を生成し、レーザ光Ｌをコリメータに出射する。これによりコリメータは、レーザ光Ｌを平行光として、スキャナ（たとえば、一対のガルバノミラー）に供給する。
【００３０】
平行光とされたレーザ光Ｌは、外部より入力されたスライスデータに基づくパターンを描くように、スキャナにより偏向され、集光レンズに至る。集光レンズは、スキャナにより偏向されたレーザ光（ビーム）Ｌを平らな像面、すなわち、新たに供給された二次粒子Ｐ２０上に集光させ、走査される。
この結果、光硬化性樹脂を含む二次粒子Ｐ２０は、スライスデータに基づくパターンに従った形状で硬化される。
【００３１】
続いて、制御部２６は、当該スライスデータに対応する硬化処理が終了すると、造形槽２３の載置台を油圧昇降装置２３Ｂにより所定の層厚分下降される。
これと並行して、材料槽２２の載置台は、所定の層厚に相当する量の二次粒子が造形槽２３に供給可能となるように油圧昇降装置により上昇される。
【００３２】
つづいて、制御部２６は、ワイパ装置２４を制御し、ワイパ装置２４のスキージングブレードは、駆動されて造形槽２３の上部に均等な厚さとなるように二次粒子を均しつつ、供給する。
これにより、光学装置２５は、再びレーザ光Ｌを照射し、次の層に相当する積層造形を行う。
【００３３】
以下、同様にして、全てのスライスデータの処理が終了するまで、材料槽２２からの二次粒子Ｐ２０の供給処理、造形槽２３における二次粒子Ｐ２０に助剤として含まれている光硬化樹脂の硬化処理がなされ、三次元造形がなされる。
具体的には、図３（ｃ）に示すように、徐々に硬化された二次粒子Ｐ２０は、積層されて最終的には、図３（ｃ）の右側に示すように、断面が正方形状の三次元造形物ＭＤ１とされる。
【００３４】
続いて、三次元プリンタ１３Ａで造形された三次元造形物ＭＤ１は、ゴム容器（ゴム型）４１に入れられ、高圧容器４２内に配置されて、図示しない加圧装置により高圧容器４２内の液体４３が加圧され、三次元造形物ＭＤ１には、等方圧（静水圧）が印加される。
【００３５】
図４は、加圧時の二次粒子の状態説明図である。
図４（ａ）に示すように、三次元造形装置で造形された三次元造形物においては、二次粒子Ｐ２０は、例えば、球状（あるいは、楕円体状）をしているため、二次粒子Ｐ２０間には、隙間（空孔）が形成されている。
【００３６】
しかしながら図示しない加圧装置により加圧処理がなされた後には、二次粒子Ｐ２０は、塑性変形されて、図４（ｂ）に示すように、加圧処理前の隙間（空孔）を埋めるように変形し、緻密な状態とされる。
この結果、等方圧加圧前の三次元造形物ＭＤ１に対して等方圧加圧後の三次元造形物ＭＤ２は、図３（ｅ）に示すように、ほぼ二次粒子Ｐ２０の隙間に相当する体積分縮んだ状態となる。
【００３７】
続いて、加圧装置及びゴム容器（ゴム型）４１から取り出された三次元造形物ＭＤ２は、焼結装置１５により所定の昇温パターン及び降温パターンに従って加熱処理がなされ、焼結されて焼結体としての三次元造形物ＭＤ３とされる。
より具体的には、図３（ｆ）に示すように、焼結体である三次元造形物ＭＤ３は、さらに長さが７０％程度に縮み、等方圧加圧後の三次元造形物ＭＤ２のサイズに対し、体積比で５０〜６０％程度となる。
【００３８】
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、二次粒子Ｐ２０のサイズは、数十μｍ程度で有るので、確実に粉体層を形成して三次元造形が可能である。
さらに二次粒子Ｐ２０を構成している一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２として数μｍ以下の粒子（たとえば、破砕粉）を用いることができるため、製造コストの低減が図れるとともに、密度及び強度が高く緻密な三次元造形物（三次元構造体）を得ることができる。
以上の説明においては、冷間で等方圧を印加する工程を設けていたが、これに代えて、三次元造形と並行して、すなわち、二次粒子Ｐ２０をプレスローラ、プレスプレート等の加圧部材により加圧しつつ、三次元造形を行うように構成することも可能である。
【００３９】
［２］第２実施形態
本第２実施形態は、凹部（特に中空部）を有する三次元造形物を造形する場合の実施形態である。
図５は、第２実施形態の三次元造形システムの概要構成及び工程説明図である。
図５において、図１と同様の部分には同一の符号を付すものとし、その詳細な説明を援用するものとする。
【００４０】
第２実施形態の三次元造形システム１０Ａが第１実施形態の三次元造形システム１０と異なる点は、積層造形装置１３で行われる積層造形工程と、成形装置１４で行われる加圧工程と、の間に、三次元造形物の凹部（中空部）形状を加圧工程において保持するとともに、焼結工程において昇華する材料である中子材料を充填する充填工程を実行する充填装置１６を設けた点である。この中子材料としては、例えば、ナフタレン、アントラセン等の昇華性材料が挙げられる。
【００４１】
図６は、第２実施形態の三次元造形方法の概念説明図である。
図７は、第２実施形態の三次元造形方法で作成される凹部（中空部）を有する三次元造形物の一例の外観斜視図である。
第２実施形態の三次元造形物ＭＤ１３は、図７に示すように、上面に開口部ＯＰが形成されたフラスコ形状の中空部ＨＬを有する立方体形状をしている。
【００４２】
図６に示す三次元造形物ＭＤ１３を作成するに際し、第１原料調整装置１１−１及び第２原料調整装置１１−２を用いた一次粒子製造工程及び造粒装置１２を用いた二次粒子製造工程については、第１実施形態と同様であるので、その詳細な説明を援用し、積層造形工程から説明する。
【００４３】
造粒装置１２により造粒された二次粒子Ｐ２０は、積層造形装置１３としての三次元プリンタ１３Ａの材料槽２２に投入される。
その後、処理室２１内には、図示しないガス供給装置から処理室２１内を清浄に保つために窒素、アルゴン等の不活性ガスが供給されて満たされた状態とされる。
【００４４】
一方、材料槽２２に投入された二次粒子Ｐ２０は、材料槽２２の最上部まで満たし、かつ、均等な高さとなるように投入され、制御部２６の制御下で、ワイパ装置２４のスキージングブレードが駆動されて、材料槽２２の上方に移動させられた所定の層厚に相当する量の二次粒子（原料）Ｐ２０を造形槽２３に均等な厚さとなるように均しつつ、供給する。
【００４５】
そして造形槽２３において所定の槽厚とされた二次粒子Ｐ２０は、制御部２６の制御下で光学装置２５により、積層造形がなされる（積層造形工程）。
具体的には、図６（ｃ）に示すように、光硬化性樹脂を含む二次粒子Ｐ２０は、スライスデータに基づくパターンに従った形状、すなわち、図６（ｃ）に示すように、上面に開口部ＯＰが形成されたフラスコ形状の中空部ＨＬを有する立方体形状を有する三次元造形物ＭＤ１１が形成される。
【００４６】
続いて、制御部２６は、全てのスライスデータに対応する硬化処理が終了すると、制御部２６は、充填装置１６を制御して、中空部ＨＬ内に中子材料ＣＲを充填する。
具体的には、図６（ｄ）に示すように、三次元造形物ＭＤ１１の中空部ＨＬ内には、上面の開口部ＯＰに至るまで中子材料ＣＲが充填される。
【００４７】
続いて、中子材料ＣＲが充填された三次元造形物ＭＤ１１は、図６（ｅ）に示すように、ゴム容器（ゴム型）４１に入れられ、高圧容器４２内に配置されて、図示しない加圧装置により高圧容器４２内の液体４３が加圧され、三次元造形物ＭＤ１１には、等方圧（静水圧）が印加される。
【００４８】
この結果、等方圧加圧前の三次元造形物ＭＤ１１に対して等方圧加圧後の三次元造形物ＭＤ１２は、図６（ｆ）に示すように、ほぼ二次粒子Ｐ２０の隙間に相当する体積分縮んだ状態となる。なお、このとき中子材料ＣＲの体積はほとんど変化しないので、その点も考慮して中空部ＨＬの形状を設計する必要がある。
【００４９】
続いて、加圧装置及びゴム容器（ゴム型）４１から取り出された三次元造形物ＭＤ１２は、焼結装置１５により所定の昇温パターン及び降温パターンに従って加熱処理がなされ、焼結されて焼結体としての三次元造形物ＭＤ１３とされる。このとき、中子材料ＣＲの昇華点を超えるまでは急激に加熱することで、中子材料ＣＲは、固体から気体に昇華し、三次元造形物ＭＤ１３には、図６（ｇ）に示すように、中空部ＨＬ１が残されることとなる。
【００５０】
より具体的には、焼結体である三次元造形物ＭＤ１３は、さらに長さが７０％程度に縮み、等方圧加圧後の三次元造形物ＭＤ１２のサイズに対し、体積比で５０〜６０％程度となる。
【００５１】
以上の説明のように、本第２実施形態によれば、凹部を有する三次元造形物を得ることができる。
この場合においても、第１実施形態と同様に、二次粒子Ｐ２０のサイズは、数十μｍ程度で有るので、確実に粉体層を形成して三次元造形が可能である。
【００５２】
さらに二次粒子Ｐ２０を構成している一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２として数μｍ以下の粒子（例えば、破砕粉）を用いることができるため、製造コストの低減が図れるとともに、密度及び強度が高く緻密な三次元造形物（三次元構造体）を得ることができる。
【００５３】
［３］第３実施形態
以上の各実施形態においては、一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２の熱的挙動については詳細に述べなかったが、本第３実施形態は、一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２の熱的挙動を考慮して、三次元造形物（三次元構造体）の歪みを低減するための実施形態である。
【００５４】
この場合において、焼結体としての三次元造形物は、第１実施形態及び第２実施形態と同様の手順により作成可能であるが、三次元造形物をゴム型に入れて等方圧を印加する成形装置（ＣＩＰ：Cold  Isostatic  Pressing）１４及び対応する当方圧印加工程を省略することも可能である。
【００５５】
より詳細には、本第３実施形態においては、焼結前の三次元造形物を形成するにあたり、一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２の一方を金属材料、他方を当該金属の酸化物として二次粒子Ｐ２０を構成することにより、熱処理中に金属部を酸化させ、金属酸化物と焼結させる反応焼結法で焼結を行い、焼結に伴う体積収縮と、金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺することにより、三次元造形物の歪みを低減している。
【００５６】
原理的には、一次粒子である金属粒子が酸化するときに体積膨張の大きい系ほど、二次粒子Ｐ２０中の金属粒子の体積比率を小さくして、焼結に伴う体積収縮と、金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺しているのである。
【００５７】
図８は、一次粒子の組合せの一例の説明図である。
例えば、一次粒子Ｐ１１として、アルミニウム（Ａｌ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のアルミニウム（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜７０％とすることにより、焼結に伴う体積収縮と、金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺して、三次元造形物の歪みを低減できる。
【００５８】
ここで、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のアルミニウム（金属）のバインダーを除いた体積が２０％未満の場合には、焼結に伴う体積収縮が大きすぎて歪みが残ることとなる。また、逆に、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のアルミニウム（金属）のバインダーを除いた体積が７０％超とした場合には、金属材料の酸化に伴う体積増加が大きすぎて歪みが残ることとなる。
【００５９】
同様に、一次粒子Ｐ１１として、ジルコニア（Ｚｒ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のジルコニア（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜５０％とすればよい。
【００６０】
また、一次粒子Ｐ１１として、ケイ素（Ｓｉ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のケイ素（金属）のバインダーを除いた体積を１０％〜３０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６１】
また、一次粒子Ｐ１１として、チタン（Ｔｉ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のチタン（金属）のバインダーを除いた体積を１０％〜４０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６２】
また、一次粒子Ｐ１１として、ハフニウム（Ｈｆ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のハフニウム（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜５０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６３】
また、一次粒子Ｐ１１として、イットリウム（Ｙ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、酸化イットリウム（ＩＩＩ）（Ｙ２Ｏ３）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のイットリウム（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜５０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６４】
また、一次粒子Ｐ１１として、ニッケル（Ｎｉ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のニッケル（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜５０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６５】
また、一次粒子Ｐ１１として、銅（Ｃｕ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、酸化銅（ＩＩ）（ＣｕＯ）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中の銅（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜４０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６６】
また、一次粒子Ｐ１１として、コバルト（Ｃｏ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、酸化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＯ）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のコバルト（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜４０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６７】
また、一次粒子Ｐ１１として、鉄（Ｆｅ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中の鉄（金属）のバインダーを除いた体積を２０％〜３０％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６８】
また、一次粒子Ｐ１１として、タングステン（Ｗ）を用いた場合には、図８に示すように、一次粒子Ｐ１２として、酸化タングステン（ＶＩ）（ＷＯ３）を用い、複合粒子である二次粒子Ｐ２０中のタングステン（金属）のバインダーを除いた体積を５％〜１５％とすれば三次元造形物の歪みを低減できる。
【００６９】
この場合において、図８に示した金属の体積範囲であれば、実用上は問題はないが、二次粒子Ｐ２０中の金属材料の一次粒子の比率が高くなると、一般的に金属材料の一次粒子のサイズが金属酸化物の一次粒子のサイズよりも大きいため、三次元造形物の密度が低下する傾向があるので、より好ましくは、一次粒子としての金属粒子の体積比率がより低い領域で二次粒子Ｐ２０を作成するのが好ましい。
【００７０】
以上の説明では、一次粒子Ｐ１１、Ｐ１２の粒径については詳細に述べなかったが、金属酸化物の粒子サイズを小さく（サブミクロンサイズ）することで、焼結性が高まり、焼結に伴う体積収縮が大きくなるため、図８に示した金属体積がより高い側とすることで、三次元造形物の歪みを抑制できるがその影響は小さいと考えられた。
［４］実施形態の変形例
以上の各実施形態の説明においては、積層造形を行うに際し、二次粒子Ｐ２０の粉体層を材料堆積法を用いて積層するものであったが、実施形態の変形例は、積層造形装置として粉末固着積層法を用いた装置を使った場合のものである。
【００７１】
［４．１］第１変形例
図９は、実施形態の第１変形例の三次元プリンタを概略的に示す断面図である。
三次元プリンタ１３Ｂは、粉末固着積層法を用いた三次元造形装置を構成している。
図９において、図２の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明を援用する。
【００７２】
図９に示すように、三次元プリンタ１３Ｂは、処理室２１と、造形槽２３と、供給装置５１と、光学装置２５と、制御部２６と、を備えている。
ここで、光学装置２５は、レーザ光Ｌ以外の手段により材料である二次粒子Ｐ２０を固着する場合、三次元プリンタ１３Ｂは、光学装置２５を備える必要はない。
【００７３】
造形槽２３は、載置台２３Ａと、油圧昇降装置２３Ｂと、周壁２３Ｄと、を備えている。
載置台２３Ａの上面には、材料としての二次粒子Ｐ２０がスライスデータに従って順次供給される。
【００７４】
供給装置５１は、造形槽２３の載置台２３Ａの上方に二次粒子Ｐ２０を供給するとともに、供給された二次粒子Ｐ２０を接着剤等の固着剤により積層し、固着させる。
ここで、供給装置５１は、原料である二次粒子Ｐ２０及び固着剤を吐出する吐出装置６１と、吐出装置６１を移動する移動装置６２と、原料を収容する収容装置６３と、造形に使用されなかった原料を回収する回収装置６４と、を備えている。
【００７５】
図１０は、造形槽及び供給装置の要部を示す斜視図である。
供給装置５１の吐出装置６１は、図１０に示すように、ホルダ７１と、ホルダ７１に一体に設けられた複数のノズル７２Ａ〜７２Ｅと、各ノズル７２Ａ〜７２Ｄにそれぞれ対応する複数のタンク７３Ａ〜７３Ｅと、を備えている。
【００７６】
ホルダ７１は、複数のタンク７３Ａ〜７３Ｅを保持しており、ノズル７２Ａ〜７２Ｅが対応してホルダ７１の下面側に設けられている。
【００７７】
上記構成において、例えば、タンク７３Ａ〜７３Ｃには、それぞれ同一の二次粒子Ｐ２０を収納したり、互いに異なるタンクに別の種類の二次粒子Ｐ２０を収納したりすることが可能である。また、タンク７２Ｄには、例えば、所定の固着剤が収納され、タンク７３Ｅには、固着剤用の溶剤が収納される。
【００７８】
以下の説明においては、説明の簡略化のため、タンク７３Ａ〜７３Ｃには、それぞれ同一の二次粒子Ｐ２０が収納されている場合を例として説明する。
【００７９】
移動装置７２は、レール８１と、一対の搬送部８２を有し、吐出装置６１をＸ軸及びＹ軸に沿う方向に移動させ、吐出装置６１を構成しているホルダ７１と一体となった複数のタンク７３Ａ〜７３Ｃを、造形槽２３と相対的に移動する。
【００８０】
ここで、レール８１は、造形槽２３の上方に配置されており、Ｙ軸に沿う方向に造形槽の寸法よりも長くされている。そして、吐出装置６１のホルダ７１は、レール８１に沿って移動可能とされ、モータ、ギア、及びベルトのような種々の部品を有する機構を駆動させることにより、吐出装置６１はレール８１に沿って移動させられる。
したがって、吐出装置６１のノズル７２Ａ〜７２Ｅもレール８１に沿って移動させられ、二次粒子Ｐ２０及び固着剤を吐出することにより、二次粒子Ｐ２０を造形槽２３に積層させる。
【００８１】
また、回収装置６４は、回収管８６を通じて、収容装置６３に接続され、固着されていない粉末状の二次粒子Ｐ２０を吸引し、収容装置６３に送って回収を行う。
【００８２】
これらの構成の結果、制御部２６は、造形槽２３、供給装置５１及び光学装置２５を制御し、固着剤が塗布された二次粒子を光学装置により互いに固着させて三次元造形物ＭＤ２１を積層造形する。さらに、制御部２６は、回収装置６４を制御して、造形に用いられなかった粉末状の二次粒子Ｐ２０を吸引し、収容装置６３に送って回収を行う。
【００８３】
以上のようにして造形された三次元造形物ＭＤは、第１実施形態及び第２実施形態と同様に加圧工程、（充填工程）、焼結工程を経て焼結体とされる。
【００８４】
以上の説明のように、本実施形態の第１変形例によっても、製造コストの低減が図れるとともに、密度及び強度が高く緻密な三次元造形物（三次元構造体）を得ることができる。
【００８５】
［４．２］第２変形例
図１１は、実施形態の第２変形例の三次元プリンタを概略的に示す断面図である。
図１１において、図９と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
三次元プリンタ１３Ｃも、図９に示した三次元プリンタ１３Ｂと同様に、粉末固着積層法を用いた三次元造形装置を構成している。
図１０に示すように、三次元プリンタ１３Ｃは、処理室２１と、三次元造形物を形成するための原料（二次粒子）が格納される材料槽２２と、三次元造形を実際に行う造形槽２３と、材料槽２２に格納された原料を造形槽２３に供給するワイパ装置２４と、造形槽２３にワイパ装置２４により供給された層単位の原料（二次粒子）に対し、インクジェットヘッドによりスライスデータに対応する各層における三次元造形物に相当する位置（パターン）に固着剤ＲＬを塗布するインクジェット造形装置５１と、材料槽２２、造形槽２３及びワイパ装置２４の制御を行う制御部２６と、ワイパ装置２４により造形槽２３に供給された二次粒子Ｐ２０を均等な厚さとなるように均す均しローラ９１と、インクジェット造形装置５１により固着剤ＲＬが塗布された二次粒子Ｐ２０を上面から加圧（プレス）して、三次元造形物の密度向上を行うプレスローラ９２と、を備えている。
この場合において、インクジェット造形装置５１により、塗布された固着剤ＲＬの溶液がプレスローラ９２の加圧により二次粒子Ｐ２０を溶解させるので、プレスローラ９２によるプレス時に二次粒子Ｐ２０がつぶれて変形しやすくなり、密度のさらなる向上が図られている。
【００８６】
上記構成において、処理室２１は、密閉空間を構成しており、処理室２１内には、材料槽２２、造形槽２３、ワイパ装置２４及び光学装置２５が所定位置に配置されている。そして、処理室２１内には、図示しないガス供給装置から処理室内を清浄に保つために窒素、アルゴン等の不活性ガスが供給口２１Ａを介して供給されて、三次元造形時に発生した余分なガス成分などを処理室２１外に排出口２１Ｂを介して排気するようにされている。
【００８７】
材料槽２２には、その内部に載置台２２Ａが油圧昇降装置２２Ｂにより昇降可能に設けられている。この載置台には、原料である二次粒子Ｐ２０が載置されており、三次元造形時には、所定の造形ステップ毎に載置台が上昇し、所定の層厚に相当する量の原料を当該材料槽２２の上方に移動させる。
【００８８】
造形槽２３は、載置台２３Ａと、油圧昇降装置２３Ｂと、周壁２３Ｄと、を備えている。
載置台２３Ａの上面には、材料としての二次粒子Ｐ２０がスライスデータに従って順次供給される。
【００８９】
ワイパ装置２４は、スキージングブレードを備え、図２中、左右に駆動され、材料槽の２２上方に移動させられた所定の層厚に相当する量の原料を造形槽２３に供給する。
これにより均しローラ９１は、ワイパ装置２４により造形槽２３に供給された二次粒子Ｐ２０を均等な厚さとなるように均す。
【００９０】
インクジェット造形装置５１は、造形槽２３に供給された二次粒子Ｐ２０の表面に固着剤ＲＬを吐出して、二次粒子Ｐ２０同士で結着させ、積層して固着させ三次元造形を行う。
この状態で、固着剤ＲＬが完全に固着してしまう前に、プレスローラ９２は、インクジェット造形装置５１により固着剤ＲＬが塗布された二次粒子を上面から加圧（プレス）して、三次元造形物の密度向上を行う。
【００９１】
上記構成において、インクジェット造形装置５１は、造形槽２３に供給された二次粒子Ｐ２０に対し固着剤ＲＬを吐出する吐出装置６１と、吐出装置６１を移動する移動装置６２と、原料を収容する収容装置６３と、造形に使用されなかった原料（二次粒子）を回収する回収装置６４と、を備えている。
【００９２】
移動装置６２は、レール８１と、一対の搬送部８２を有し、吐出装置６１をＸ軸及びＹ軸に沿う方向に移動させ、吐出装置６１を構成しているホルダ７１と一体となった複数のタンク７３Ａ〜７３Ｅを、造形槽２３と相対的に移動する。
【００９３】
ここで、レール８１は、造形槽２３の上方に配置されており、Ｙ軸に沿う方向に造形槽の寸法よりも長くされている。そして、吐出装置６１のホルダ７１は、レール８１に沿って移動可能とされ、モータ、ギア、及びベルトのような種々の部品を有する機構を駆動させることにより、吐出装置６１はレール８１に沿って移動させられる。
したがって、吐出装置６１のノズル７２Ａ〜７２Ｅもレール８１に沿って移動させられ、固着剤ＲＬを吐出することにより、二次粒子Ｐ２０を造形槽２３に積層して、三次元造形を行うこととなる。
【００９４】
また、回収装置６４は、回収管８６を通じて、収容装置６３に接続され、固着されていない粉末状の二次粒子Ｐ２０を吸引し、収容装置６３に送って回収を行う。
【００９５】
これらの構成の結果、制御部２６は、造形槽２３、供給装置５１及び光学装置２５を制御し、固着剤ＲＬが塗布された二次粒子を光学装置により互いに固着させて三次元造形物ＭＤ２１を積層造形する。さらに、制御部２６は、回収装置６４を制御して、造形に用いられなかった粉末状の二次粒子Ｐ２０を吸引し、収容装置６３に送って回収を行う。
【００９６】
以上のようにして造形された三次元造形物は、第１実施形態及び第２実施形態と同様に加圧工程、（充填工程）、焼結工程を経て焼結体とされる。
あるいは、焼結工程を経て焼結体とされる。
【００９７】
以上の説明のように、本実施形態の第２変形例によっても、製造コストの低減が図れるとともに、密度及び強度が高く緻密な三次元造形物（三次元構造体）を得ることができる。
【００９８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００９９】
例えば、以上の実施形態においては、１種類の二次粒子を用いて三次元造形を行っていたが、複数種類の二次粒子を用いて同様に三次元造形を行うように構成することも可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１０、１０Ａ  三次元造形システム
１１−１    第１原料調整装置
１１−２    第２原料調整装置
１２    造粒装置
１３    積層造形装置
１３Ａ、１３Ｂ  三次元プリンタ
１４    成形装置
１５    焼結装置
１６    充填装置
２１    処理室
２２    材料槽
２２Ａ  載置台
２２Ｂ  油圧昇降装置
２３    造形槽
２４    ワイパ装置
２５    光学装置
２６    制御部
４２    高圧容器
４３    液体
５１    供給装置
６１    吐出装置
６２    移動装置
６３    収容装置
６４    回収装置
９１    均しローラ
９２    プレスローラ
ＨＬ１  中空部
ＭＤ１〜ＭＤ３  三次元造形物
ＭＤ１１〜ＭＤ１３、ＭＤ２１  三次元造形物
Ｐ１１、Ｐ１２  一次粒子
Ｐ２０  二次粒子
ＣＲ    中子材料
ＨＬ    中空部
Ｌ      レーザ光
ＭＤ    三次元造形物
ＯＰ    開口部
【図１】
0006313254.tif 000002
【図２】
0006313254.tif 000003
【図３】
0006313254.tif 000004
【図４】
0006313254.tif 000005
【図５】
0006313254.tif 000006
【図６】
0006313254.tif 000007
【図７】
0006313254.tif 000008
【図８】
0006313254.tif 000009
【図９】
0006313254.tif 000010
【図１０】
0006313254.tif 000011
【図１１】
0006313254.tif 000012