(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の形状領域だけに熱エネルギーを照射することが可能となる装置と方法によって、正確な形状の３次元形状造形物を提供する。【解決手段】ステージ１２０と金属粉末とバインダーと、が混練された被焼結材料をシート状に成形したグリーンシート３００を配設する材料供給手段２００と、グリーンシート３００の一部を蒸散させる第１エネルギーＬ１を供給する第１加熱手段と、前記グリーンシート３００の一部を焼結可能とする第２エネルギーＬ２を供給する第２加熱手段と、ステージ１２０に対して、前記第１加熱手段と前記第２加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段と、を備え、ステージ１２０上に供給されたグリーンシート３００の前記第２加熱手段から供給される第２エネルギーＬ２によって焼結される焼結領域を囲むように、グリーンシート３００に前記第１加熱手段から第１エネルギーＬ１を供給する３次元形成装置１０００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、
金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をシート状に成形したグリーンシートを前記ステージ上に配設する材料供給手段と、前記グリーンシートの一部を蒸散させる第１エネルギーを供給する第１加熱手段と、前記グリーンシートの一部を焼結可能とする第２エネルギーを供給する第２加熱手段と、
前記ステージに対して、前記第１加熱手段と、前記第２加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段と、を備え、
前記材料供給手段によって前記ステージ上に供給された前記グリーンシートの前記第２加熱手段から供給される第２エネルギーによって焼結される焼結領域を囲むように、前記グリーンシートに前記第１加熱手段から前記第１エネルギーを供給する、
ことを特徴とする３次元形成装置。
【請求項２】
前記第１エネルギーの出力と、前記第２エネルギーの出力と、が異なる、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形成装置。
【請求項３】
前記第１加熱手段および前記第２加熱手段が、レーザー照射手段である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形成装置。
【請求項４】
金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をシート状に成形したグリーンシートを供給する材料供給工程と、
前記グリーンシートに向けて、第１エネルギーを照射し、前記グリーンシートの一部を蒸散させて除去し、除去部を形成する部分除去工程と、前記グリーンシートに向けて、第２エネルギーを照射し、前記グリーンシートの一部を焼結させ、焼結形成部を形成する焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、
前記単層形成工程によって形成された前記単層を第１の単層として、前記第１の単層に積層させ、第２の単層として前記単層形成工程によって前記単層を形成する積層工程と、
前記積層工程を所定の回数、繰り返し前記焼結形成部が積層された３次元形状造形物を含む積層体から、未焼結部を除去する未焼結部除去工程と、を含む、
ことを特徴とする３次元形成方法。
【請求項５】
前記部分除去工程は、
前記焼結工程により形成される前記焼結形成部の形成領域を囲むように除去部を形成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の３次元形成方法。
【請求項６】
前記第１エネルギーおよび前記第２エネルギーは、レーザーであり、
前記第１エネルギーと、前記第２エネルギーと、は、レーザー出力もしくはレーザー波長が異なる、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の３次元形成方法。
【請求項７】
前記部分除去工程は、前記未焼結部除去工程において除去される前記未焼結部を複数に分割する分割部を形成する分割部形成工程を含む、
ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載の３次元形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形成装置および３次元形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料などを用いて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には、金属とセラミックスとの複合造形体を形成する方法として、セラミックス微粉体をテープ状に成形したセラミックステープに、金属微粉体をテープ状に成形した金属テープと、を重ね、その上からレーザー光を複合造形体の横断面形状になるように照射し、金属テープを溶融し、金属中にセラミックスを分散させて複合造形体を形成する方法が示されている。
【０００３】
また、特許文献２に示すような方法も開示されている。特許文献２に開示されている３次元形状造形物の製造方法は、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熔融層を形成し、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熔融層が積層され、所望の３次元形状造形物が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９７５３２号公報
【特許文献２】特開２００８−１８４６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１および特許文献２に示された複合造形体および３次元形状造形物を形成する方法では、造形領域にレーザーを照射させて、原料材料の一部が焼結もしくは熔融させているが、造形領域以外、特に造形領域との境界近傍の焼結もしくは熔融されない原料材料に対しても造形領域に加えられた熱が伝搬し、造形領域の縁部に不要な焼結もしくは熔融部分が残り、所望の形状を正確に得ることが困難となる虞があった。
【０００６】
そこで、所望の形状領域だけに熱エネルギーを照射することが可能となる装置と、その方法と、によって、正確な形状を有する３次元形状造形物を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例の３次元形成装置は、ステージと、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をシート状に成形したグリーンシートを前記ステージ上に配設する材料供給手段と、前記グリーンシートの一部を蒸散させる第１エネルギーを供給する第１加熱手段と、前記グリーンシートの一部を焼結可能とする第２エネルギーを供給する第２加熱手段と、前記ステージに対して、前記第１加熱手段と、前記第２加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段と、を備え、前記材料供給手段によって前記ステージ上に供給された前記グリーンシートの前記第２加熱手段から供給される第２エネルギーによって焼結される焼結領域を囲むように、前記グリーンシートに前記第１加熱手段から前記第１エネルギーを供給することを特徴とする。
【０００９】
本適用例の３次元形成装置によれば、第１エネルギーによって３次元形状造形物の一部となる焼結される焼結領域を囲むようにグリーンシートを蒸散、除去することで、正確な焼結領域を形成することができる。従って、正確な３次元形状造形物を形成することができる。
【００１０】
なお、本適用例において、「焼結可能とする」における焼結とは、供給材料にエネルギーが供給されることによって、供給材料を構成するバインダーが供給エネルギーによって蒸散し、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熔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。
【００１１】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記第１エネルギーの出力と、前記第２エネルギーの出力と、が異なることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、原料となるグリーンシートの蒸散と、焼結と、のそれぞれが所望のエネルギーを、容易に制御して、供給することができる。
【００１３】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記第１加熱手段および前記第２加熱手段が、レーザー照射手段であることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、正確な位置へのエネルギーを照射することが可能となり、正確な３次元形状造形物を得ることができる。更に、エネルギー出力を容易に制御することができる。
【００１５】
〔適用例４〕本適用例の３次元形成方法は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をシート状に成形したグリーンシートを供給する材料供給工程と、前記グリーンシートに向けて、第１エネルギーを照射し、前記グリーンシートの一部を蒸散させて除去し、除去部を形成する部分除去工程と、前記グリーンシートに向けて、第２エネルギーを照射し、前記グリーンシートの一部を焼結させ、焼結形成部を形成する焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、前記単層形成工程によって形成された前記単層を第１の単層として、前記第１の単層に積層させ、第２の単層として前記単層形成工程によって前記単層を形成する積層工程と、前記積層工程を所定の回数、繰り返し前記焼結形成部が積層された３次元形状造形物を含む積層体から、未焼結部を除去する未焼結部除去工程と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
本適用例の３次元形成方法によれば、焼結工程における第２エネルギーの照射によって意図しない部分の焼結を防止するため、予め第１エネルギーによってグリーンシートの一部を蒸散させて除去部を形成することで、正確な焼結領域を形成することができる。従って、正確な３次元形状造形物を形成することができる。
【００１７】
また、未焼結部を残してグリーンシートを積層させて単層形成工程を行うことで、下層のグリーンシートが、単層形成中における重力方向へのグリーンシートの変形を防止し、正確な３次元形状造形物を得ることができる。
【００１８】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記部分除去工程は、前記焼結工程により形成される前記焼結形成部の形成領域を囲むように除去部を形成することを特徴とする。
【００１９】
上述の適用例によれば、焼結工程における焼結形成部の周囲からグリーンシートの材料が除去され、正確な形状の３次元形状造形物を得ることができる。
【００２０】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記第１エネルギーおよび前記第２エネルギーは、レーザーであり、前記第１エネルギーと、前記第２エネルギーと、は、レーザー出力もしくはレーザー波長が異なることを特徴とする。
【００２１】
上述の適用例によれば、正確な位置へのエネルギーを照射することが可能となり、正確な３次元形状造形物を得ることができる。また、原料となるグリーンシートの蒸散と、焼結と、のそれぞれが所望のエネルギーを、レーザー照射手段では容易に制御することができ、高品質の３次元形状造形物を得ることができる。
【００２２】
〔適用例７〕上述の適用例において、前記部分除去工程は、前記未焼結部除去工程において除去される前記未焼結部を複数に分割する分割部を形成する分割部形成工程を含むことを特徴とする。
【００２３】
上述の適用例によれば、粉砕除去される未焼結部を、分割部によって分割することにより、未焼結部の除去を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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次元形成装置の動作の概要を示す概略図。
【図３】第２実施形態に係る３次元形成装置を示す概略構成図。
【図４】第３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５】グリーンシート成形装置の概略構成図。
【図６】第３実施形態に係る３次元形成方法を説明する、外観斜視図と、外観斜視図に示すＣ−Ｃ´部の断面図。
【図７】第３実施形態に係る３次元形成方法を説明する、外観斜視図と、外観斜視図に示すＣ−Ｃ´部の断面図。
【図８】第３実施形態に係る３次元形成方法を説明する、外観斜視図と、外観斜視図に示すＣ−Ｃ´部の断面図。
【図９】第３実施形態に係る、オーバーハング部の形成方法を示す断面図。
【図１０】第４実施形態に係る３次元形成方法のフローチャート。
【図１１】第４実施形態に係る３次元形成方法を示す、（ａ）は分割部形成工程を示す外観斜視図と、外観斜視図に示すＤ−Ｄ´部の断面図、（ｂ）は未焼結部除去工程直前の状態を示す外観斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２６】
（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。
【００２７】
図１に示す３次元形成装置１０００は、３次元形状造形物を形成する焼結装置１００と、３次元形状造形物の原料となる金属粉末とバインダーを混練し、シート状に成形した、いわゆるグリーンシートと呼ばれる供給材料３００（以下、グリーンシート３００という）を焼結装置１００に供給する材料供給装置２００と、を備えている。
【００２８】
材料供給装置２００は、供給基台２１０と、供給基台２１０に備える図示しない駆動手段によって、図示する重力方向に沿うＺ軸方向に駆動可能に備えられた供給テーブル２２０と、供給テーブル２２０に載置され、最上に積載された複数のグリーンシート３００の１枚を保持し焼結装置１００へ移送する移送装置２３０と、を備えている。
【００２９】
移送装置２３０は、グリーンシート３００が保持可能なシート保持部２３０ａと、シート保持部２３０ａを供給テーブル２２０に対して相対的に少なくともＸ軸およびＹ軸方向に移動させる供給駆動部２３０ｂと、を備えている。シート保持部２３０ａには、例えば減圧吸盤等のグリーンシート３００を保持および離脱可能とする手段のシート吸着部２３０ｃを備え、シート吸着部２３０ｃによってグリーンシート３００を吸着、保持することができる。なお、シート吸着部２３０ｃのグリーンシート３００の保持方法は、上述に限定されず、例えば、原料金属が磁性体であれば磁力吸着等の方法、あるいはパイロットホールを利用して機械的に保持してもよい。
【００３０】
焼結装置１００は、基台１１０と、基台１１０に備える図示しない駆動装置によって、基台１１０に対して図示するＺ軸方向に駆動可能に備えられたステージ１２０と、ステージ１２０上には後述する加熱手段からの熱エネルギーからステージ１２０を保護する耐熱性を有する試料プレート１２１と、を備えている。そして、試料プレート１２１の上に、材料供給装置２００から移送されたグリーンシート３００が積層配置される。なお、最上層に移送されて積層されるグリーンシート３００に対して、直下層のグリーンシート３００を密着させるため、最上層のグリーンシート３００上を押圧しながら本例ではＸ軸方向に往復駆動させるプレスローラー１７０を備えていてもよい。また、プレスローラー１７０は、上下のグリーンシート３００間の密着性を向上させるため、グリーンシート３００を加熱する手段を備えていることが好ましい。
【００３１】
そして、レーザー発振器１３０と、レーザー発振器１３０から照射される加熱手段としてのレーザー光が、試料プレート１２１上に載置されたグリーンシート３００に向けて、所定の照射位置に照射されるガルバノ装置１４０と、が備えられている。そして、ガルバノ装置１４０と、基台１１０に備える図示しない駆動装置と、によって、加熱手段としてのレーザー光と、試料プレート１２１上のグリーンシート３００と、が相対的に３次元移動可能となる駆動手段が構成される。
【００３２】
ガルバノ装置１４０は、レーザー光を反射するガルバノミラー１４１と、ガルバノミラー１４１を駆動し、レーザー発振器１３０からのレーザー光の光軸を所定に方向に反射させるミラー駆動部１４２と、を備えている。
【００３３】
３次元形成装置１０００には、図示しない、例えば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次元形状造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、供給テーブル２２０、レーザー発振器１３０、ガルバノ装置１４０、および移送装置２３０を制御する制御手段としての制御ユニット４００を備えている。制御ユニット４００は、図示しないが、ステージ１２０の駆動制御部、供給テーブル２２０の駆動制御部、レーザー発振器１３０の駆動制御部、ガルバノ装置１４０の駆動制御部、および移送装置２３０の駆動制御部を備え、それらを連携させて駆動するように制御する制御部と、を備えている。
【００３４】
基台１１０に移動可能に備えられているステージ１２０、および供給基台２１０に移動可能に備えられている供給テーブル２２０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー４１０においてステージ１２０、あるいは供給テーブル２２０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１１０、あるいは供給基台２１０に備える図示されない駆動装置に送られ、駆動される。
【００３５】
材料供給装置２００に備える移送装置２３０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給装置コントローラー２４０において、移送装置２３０に備える供給駆動部２３０ｂによるシート保持部２３０ａの移動、およびシート吸着部２３０ｃへのグリーンシート３００の保持あるいは離脱、などを制御する信号が生成され、グリーンシート３００の焼結装置１００への移送が制御される。
【００３６】
レーザー発振器１３０およびガルバノ装置１４０は、ステージ１２０上に供給されたグリーンシート３００に対して、少なくとも異なる出力のエネルギーが供給されるように制御するレーザーコントローラー１５０を焼結装置１００に備えている。レーザーコントローラー１５０は、少なくとも第１レーザーコントローラー１５１と、第２レーザーコントローラー１５２と、を備えている。
【００３７】
そして、第１レーザーコントローラー１５１と、第１レーザーコントローラー１５１によって制御されたレーザー発振器１３０から第１エネルギーとして照射される第１レーザー光Ｌ１と、によって第１加熱手段が構成される。また、第２レーザーコントローラー１５２と、第２レーザーコントローラー１５２によって制御されたレーザー発振器１３０から第２エネルギーとして照射される第２レーザー光Ｌ２と、によって第２加熱手段が構成される。
【００３８】
すなわち、１つのレーザー発振器１３０を、第１レーザーコントローラー１５１と第２レーザーコントローラー１５２の２つのコントローラーによって、出力あるいは波長が異なる第１レーザー光Ｌ１もしくは第２レーザー光Ｌ２を、グリーンシート３００に向けて照射することができる。むろん、レーザー発振器１３０を複数備え、それぞれが第１レーザー光Ｌ１あるいは第２レーザー光Ｌ２を個々に発振させる構成であってもよい。そして、レーザーコントローラー１５０からは、ガルバノミラーコントローラー１６０に制御信号が送られ、レーザー発振器１３０のレーザー光Ｌ１，Ｌ２の照射方向がグリーンシート３００の所定の位置に照射されるようにガルバノ装置１４０の駆動制御が行われる。
【００３９】
次に、図２により、３次元形状造形物を形成する３次元形成装置１０００の動作の概要を説明する。なお、説明を簡略にするため、試料プレート１２１上に載置された１枚のグリーンシート３００に対して、円環状の造形物を形成する場合の動作により説明する。なお、図２では、試料プレート１２１上にグリーンシート３００が載置された状態での外観斜視図と、外観斜視図に示すＡ−Ａ´部の断面図と、を示す。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、載置されたグリーンシート３００に２点鎖線（想像線）で描画した３次元形状造形物２０００の一部としての第１層目となる円環状の部分造形物２００１の形成予定領域である。
【００４１】
図２（ａ）に示すグリーンシート３００に向けて、図１に示すガルバノ装置１４０を介してレーザー発振器１３０から射出されたレーザーが照射される。レーザー照射は、第１レーザー光Ｌ１あるいは第２レーザー光Ｌ２のどちらを照射するか、制御ユニット４００からの指令によって選択される。本例では、先ず第１レーザー光Ｌ１が照射されることとして説明する。
【００４２】
制御ユニット４００の指令に基づき、レーザーコントローラー１５０に備える第１レーザーコントローラー１５１から、第１レーザー光Ｌ１を発振させる信号がレーザー発振器１３０に送られ、合わせて、ガルバノミラーコントローラー１６０にもガルバノ装置１４０の駆動制御のための信号生成が開始され、第１レーザー光Ｌ１がレーザー発振器１３０から射出される。そして、第１レーザー光Ｌ１は、図２（ｂ）に示すように、所定領域に第１レーザー光Ｌ１を照射させるために、ガルバノミラー１４１によって照射経路Ｒ１，Ｒ２を描いて照射される。
【００４３】
第１レーザー光Ｌ１は、グリーンシート３００を構成する金属粉末およびバインダーを蒸散させることが可能な出力を有する第１エネルギーとなって、部分造形物２００１の造形予定領域の外周縁２００１ａに沿って、グリーンシート３００が部分的に除去された部分除去部２００１ｂが形成される。そして、内周縁２００１ｃに沿って、グリーンシート３００が部分的に除去された部分除去部２００１ｄも形成される。このようして形成された部分除去部２００１ｂと、部分除去部２００１ｄと、によって囲まれた部分が、部分造形物２００１に形成される造形原料２００１ｅとなり、造形原料２００１ｅを含み、部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが除去された状態のグリーンシート３００ａとなる。
【００４４】
そして、第１レーザー光Ｌ１の照射の後、制御ユニット４００の指令に基づき、レーザーコントローラー１５０に備える第２レーザーコントローラー１５２から、第２レーザー光Ｌ２を発振させる信号がレーザー発振器１３０に送られ、合わせて、ガルバノミラーコントローラー１６０にもガルバノ装置１４０の駆動制御のための信号生成が開始され、第２レーザー光Ｌ２がレーザー発振器１３０から射出される。そして、第２レーザー光Ｌ２は、図２（ｃ）に示すように、造形原料２００１ｅに向けて第２レーザー光Ｌ２を照射させるために、ガルバノミラー１４１によって照射経路Ｒ３が描かれ、照射される。
【００４５】
第２レーザー光Ｌ２は、グリーンシート３００を構成する金属粉末およびバインダーが混練された状態から、バインダーを蒸散させ、金属粉末同士を結合させる、いわゆる、焼結による金属造形物の成形が可能な出力を有する第２エネルギーとなって、造形原料２００１ｅに照射される。そして、造形原料２００１ｅが焼結されることで部分造形物２００１が形成される。
【００４６】
このように、グリーンシート３００に第１レーザー光Ｌ１、そして第２レーザー光Ｌ２が照射され部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが形成され、更に部分造形物２００１が形成されると、グリーンシート３００にレーザー光Ｌ１，Ｌ２のどちらも照射されない、未焼結の領域３００ｂが残される。以下、この領域を、グリーンシート３００における未焼結部３００ｂという。
【００４７】
上述したように、部分除去部２００１ｂ，２００１ｄによって、正確な形状の造形原料２００１ｅが形成され、これを焼結することによって正確な形状の部分造形物２００１が形成される。更に、このとき照射される第２レーザー光Ｌ２、すなわち第２エネルギーの熱は、部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが遮断部となって未焼結部３００ｂには伝播されず、未焼結部３００ｂに部分的な焼結領域を形成する虞が無い。従って、最後に除去される未焼結部３００ｂの除去作業を容易に行うことができ、また、除去された未焼結部３００ｂを、再度原料として混練する場合の原料ロスを抑制することができる。
【００４８】
上述したように、本実施形態に係る３次元形成装置１０００では、少なくとも異なる出力のエネルギーを供給することができる加熱手段としてのレーザー発振器１３０と、レーザー発振器１３０から照射されるレーザー光が、試料プレート１２１上に載置されたグリーンシート３００に向けて、所定の照射位置に照射されるガルバノ装置１４０と、が備えられていることにより、１台の３次元形成装置１０００によって、異なる加工、すなわち蒸散による材料除去加工と、焼結加工と、の複合加工を効率よく行うことができる。
【００４９】
上述した第１レーザー光Ｌ１および第２レーザー光Ｌ２は、レーザー発振器１３０の出力を調整し、ガルバノ装置１４０によって、レーザー光Ｌ１，Ｌ２それぞれが照射されるべき領域に向けて照射する構成としたが、これに限定されない。例えば、第１レーザー光Ｌ１を照射するレーザー発振器と、第２レーザー光Ｌ２を照射するレーザー発振器と、の複数のレーザー発振器を、双腕ロボットのアームに装着し、アームを駆動させて所定の領域に所望のレーザー光Ｌ１，Ｌ２を照射するように構成してもよい。
【００５０】
上述の第１実施形態に係る３次元形成装置１０００では、加熱手段にレーザー光を用いることを例示したがこれに限定されない。例えば、レーザー光に替えて熱風をグリーンシート３００に吹き付けることで、３次元形状造形物２０００を形成することができる。この場合、異なる温度の熱風を吐出する手段として、第１エネルギーに対応した温度の熱風吐出手段と、第２エネルギーに対応した温度の熱風吐出手段と、を備えてもよく、あるいは一つの熱風吐出手段から、異なる温度の熱風を吐出するようにしてもよい。
【００５１】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る３次元形成装置１１００を示す概略構成図である。なお、本実施形態に係る３次元形成装置１１００は、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００に対して材料供給装置２００の形態が異なり、焼結装置１００は同じ装置構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００５２】
図３に示す３次元形成装置１１００に備える材料供給装置５００は、供給基台５１０と、供給基台５１０に備える駆動手段によって図示する重力方向に沿うＺ軸方向と、焼結装置１００に近接および離間する方向と、に駆動可能に備えられた供給テーブル５２０と、を備えている。供給テーブル５２０には、３次元形状造形物の原料となる金属粉末とバインダーを混練し、連続したシートを、ロール状にした供給材料ロール６００を、回転可能に保持するロール保持部５３０と、供給材料ロール６００から繰り出される連続シート６００ａを焼結装置１００に向けて送出する保持台５２１と、連続シート６００ａを保持台５２１上で移動させる繰り出しローラー５４０と、が備えられている。
【００５３】
焼結装置１００への材料供給は、制御ユニット４００からステージコントローラー４１０に制御信号が送られ、供給テーブル５２０が駆動される。供給テーブル５２０は、焼結装置１００に積層されたグリーンシート３００の最上層の上に連続シート６００ａが繰り出せる位置まで、Ｚ軸方向、および図３に示す形態では焼結装置１００のステージ１２０に近接する方向のＸ軸方向に、図示しない駆動装置によって移動され、２点鎖線で示す図示Ｂ位置に保持される。
【００５４】
そして、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給装置コントローラー５５０により生成された駆動信号に基づき繰り出しローラー５４０を駆動させ、連続シート６００ａを焼結装置１００に積層されたグリーンシート３００の最上層に繰り出す。このとき、ロール保持部５３０は、繰り出しローラー５４０によって繰り出される連続シート６００ａの繰り出しに応じて自在に回転する構成であってもよく、繰り出される連続シート６００ａの繰り出し量を図示しない検出装置によって検出し、連続シート６００ａの繰り出し量に適用させて供給材料ロール６００を回転させる駆動手段を備えていてもよい。
【００５５】
連続シート６００ａが、焼結装置１００に積層されたグリーンシート３００の最上層の上に所定量、繰り出されると、第１レーザーコントローラー１５１からレーザー発振器１３０に第１レーザー光Ｌ１の発振が指示され、ガルバノ装置１４０にはレーザー発振器１３０から射出された第１レーザー光Ｌ１を反射し、連続シート６００ａを所定のグリーンシート３００に相当する大きさに切断する切断レーザー光Ｌ１１として、連続シート６００ａに照射され、切断される。
【００５６】
本実施形態に係る３次元形成装置１１００では、焼結装置１００に供給される供給材料としてのグリーンシート３００は、３次元形状造形物の形状によって、必要最小限の大きさでグリーンシート３００を焼結装置１００に供給することができる。従って、材料の無駄を減らし、材料効率を高めた造形物、すなわち製品の形成をすることができる。
【００５７】
（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を用いて３次元形状造形物を形成する３次元形成方法を説明する。図４は第３実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャートであり、図５はグリーンシート３００を成形するグリーンシート成形装置の概略構成図、図６、図７および図８は本実施形態に係る３次元形成方法を説明する、外観斜視図と、外観斜視図に示すＣ−Ｃ´部の断面図である。なお、本実施形態では、説明を簡略にするため、１枚のグリーンシート３００に対して、円環状の造形物が形成され、それを積層することにより円筒状の３次元形状造形物２０００を形成する方法より説明する。
【００５８】
（３次元造形用データ取得工程）
図４に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形状造形物２０００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４００（図１参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１）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４００から、ステージコントローラー４１０と、材料供給装置コントローラー２４０と、レーザーコントローラー１５０と、に制御データが送られ、材料準備工程に移行される。
【００５９】
（材料準備工程）
材料準備工程（Ｓ２）では、グリーンシート３００を材料供給装置２００に備える供給テーブル２２０に、所定枚数が載置される。グリーンシート３００は、図５に概略構成を例示する、グリーンシート３００のグリーンシート成形装置３０００等によって形成される。
【００６０】
図５に示すように、グリーンシート成形装置３０００は、原料Ｍを供給する原料供給部３１００と、原料供給部３１００から排出された原料Ｍを受け、搬送する搬送ベルト３２００と、を備えている。原料Ｍは、３０μｍ以下に形成された金属粉末と、バインダーと、を混練しペースト状となった混合物を用いる。金属粉末としては、例えばコバルト系合金、マルエージング鋼、ステンレス鋼、チタン系合金、ニッケル系合金、マグネシウム合金、あるいは銅系合金などの合金、あるいは鉄、チタン、ニッケル、銅などの金属を用いることができる。バインダーとしては、熱可塑性樹脂、あるいは水溶性熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えばポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ＡＢＳ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が用いられ、水溶性熱可塑性樹脂としては、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等が用いられる。
【００６１】
上述した金属粉末と、バインダー、そして粘度調整用としての溶剤が加えられ、混練された原料Ｍが原料供給部３１００に投入され、図示矢印Ｆ方向に駆動される搬送ベルト３２００上に所定量が順次排出される。搬送ベルト３２００のＦ方向移動によって原料Ｍは、均一化ロール３３００によって、均一な厚みに形成され、次の加圧ローラー３４００を通過し、グリーンシート３００となる所定の厚みに形成される。そして、切断手段３５００によって所定の長さで切断され、グリーンシート３００が得られる。
【００６２】
（材料供給工程）
材料準備工程（Ｓ２）によって、材料供給装置２００の供給テーブル２２０上に所定数のグリーンシート３００が載置されると、材料供給工程（Ｓ３）が開始される。材料供給工程（Ｓ３）では、制御ユニット４００からの制御信号に基づいて、材料供給装置コントローラー２４０は、移送装置２３０の駆動信号を生成し、移送装置２３０を駆動させる。
【００６３】
先ず、シート保持部２３０ａを所定の位置まで移動させ、供給テーブル２２０上に積載されたグリーンシート３００の最上シートをシート吸着部２３０ｃによって吸着、保持する。グリーンシート３００を保持した状態で、シート保持部２３０ａは焼結装置１００の試料プレート１２１上に移動し、グリーンシート３００をシート吸着部２３０ｃから離脱、離間させ、グリーンシート３００が試料プレート１２１上に載置される。グリーンシート３００が載置、離間された後、シート保持部２３０ａは材料供給装置２００の待機位置まで戻される。以下、１層目として載置されたグリーンシート３００を、第１層グリーンシート３０１として説明する。
【００６４】
（部分除去工程）
試料プレート１２１上に第１層グリーンシート３０１が載置されると、部分除去工程（Ｓ４）が開始される。部分除去工程（Ｓ４）は、図６（ａ）に示すように、載置された第１層グリーンシート３０１に２点鎖線（想像線）で描画した３次元形状造形物２０００の一部としての第１層目となる円環状の部分造形物２００１が形成される形成領域を囲むように、第１層グリーンシート３０１の一部を除去する工程である。
【００６５】
部分除去工程（Ｓ４）では、図１に示す第１レーザー光Ｌ１を第１層グリーンシート３０１に向け、ガルバノ装置１４０によって所定の軌跡を描くように照射し、第１レーザー光Ｌ１の第１エネルギーが照射された領域の第１層グリーンシート３０１を蒸散させる。図６（ａ）に示す例では、第１レーザーコントローラー１５１の制御信号により、部分造形物２００１の造形予定領域の外周縁２００１ａを形成するように、照射起点Ｐ１１から３次元形状造形データに基づく照射経路Ｒ１１に沿って第１レーザー光Ｌ１が照射起点Ｐ１１に至るまで照射され、部分除去部２００１ｂが形成される。
【００６６】
次に、部分造形物２００１の造形予定領域の内周縁２００１ｃを形成するように、照射起点Ｐ１２から３次元形状造形データに基づく照射経路Ｒ１２に沿って第１レーザー光Ｌ１が照射起点Ｐ１２に至るまで照射され、部分除去部２００１ｄが形成される。このようして形成された部分除去部２００１ｂと、部分除去部２００１ｄと、によって囲まれた部分が、部分造形物２００１の造形原料２００１ｅとなり、造形原料２００１ｅを含み、部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが除去された第１層グリーンシート３０１ａとなる。すなわち、言い換えると、部分除去部２００１ｂ，２００１ｄは、造形原料２００１ｅの周囲を囲むように形成される。
【００６７】
（焼結工程）
次に、部分除去工程（Ｓ４）によって形成された第１層グリーンシート３０１ａに形成された造形原料２００１ｅに対して、第２エネルギーの第２レーザー光Ｌ２が照射される焼結工程（Ｓ５）に移行される。焼結工程（Ｓ５）における焼結とは、グリーンシート３００を構成する金属粉末およびバインダーが混練された状態から、バインダーを蒸散させ、金属粉末同士を結合させ、金属粉末状態から、金属造形物に成形する加工手段である。
【００６８】
焼結工程（Ｓ５）では、図６（ｂ）に示すように、部分除去工程（Ｓ４）で形成された造形原料２００１ｅに向けて、照射起点Ｐ２１から３次元形状造形データに基づく照射経路Ｒ２１に沿って第２レーザー光Ｌ２が照射起点Ｐ２１に至るまで照射される。造形原料２００１ｅの第２レーザー光Ｌ２が照射された領域は、第２レーザー光Ｌ２の第２エネルギーによって焼結され、金属造形の部分造形物２００１が形成される。
【００６９】
部分除去工程（Ｓ４）によって部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが除去された第１層グリーンシート３０１ａから、焼結工程（Ｓ５）によって造形原料２００１ｅが焼結され、部分造形物２００１に形成されるが、その他の領域、すなわち本例では部分除去部２００１ｂの外側領域３０１ｂおよび部分除去部２００１ｄの内側領域３０１ｃは、第１レーザー光Ｌ１および第２レーザー光Ｌ２のいずれもが照射されない領域、すなわち未焼結領域となる。以下、外側領域３０１ｂを第１未焼結部３０１ｂ、内側領域３０１ｃを第２未焼結部３０１ｃ、という。
【００７０】
こうして、焼結工程（Ｓ５）において、焼結された部分造形物２００１と、第１未焼結部３０１ｂと、第２未焼結部３０１ｃと、が形成され、第１の単層としての第１層３０１ｄが形成される。以上の、材料供給工程（Ｓ３）から焼結工程（Ｓ５）に至る一連の工程が単層形成工程（Ｓ１００）である。そして、焼結工程（Ｓ５）の終了、すなわち単層形成工程（Ｓ１００）が終了し、次の積層数比較工程に移行される。
【００７１】
（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ１００）によって、第１層となる部分造形物２００１と、第１未焼結部３０１ｂと、第２未焼結部３０１ｃと、を含む第１層３０１ｄが形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１）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（Ｓ６）に移行される。積層数比較工程（Ｓ６）では、３次元形状造形物２０００を構成するために必要な部分造形物が形成されたグリーンシート３００の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ６）の直前の単層形成工程（Ｓ１００）までで積層されたグリーンシート３００の積層数ｎと、を比較する。積層数比較工程（Ｓ６）において、ｎ＜Ｎと判定された場合、再度、単層形成工程（Ｓ１００）を実行させる積層工程に移行される。
【００７２】
（積層工程）
積層工程（Ｓ７）は、積層数比較工程（Ｓ６）において、ｎ＜Ｎと判定され、再度、単層形成工程（Ｓ１００）を実行させるための指令工程であり、単層形成工程（Ｓ１００）の開始工程である材料供給工程（Ｓ３）を実行させる。
【００７３】
図７（ｃ）に示すように、積層工程（Ｓ７）によって第１層目の第１層３０１ｄの上部に、グリーンシート３００が供給、載置され、第２層目の第２層グリーンシート３０２となる。
【００７４】
そして、図７（ｄ）に示すように、第２層目の第２層グリーンシート３０２に対して、部分除去工程（Ｓ４）と、焼結工程（Ｓ５）と、が行われ、２層目の部分除去部２００２ｂ，２００２ｄと、部分造形物２００２と、第１未焼結部３０２ｂと、第２未焼結部３０２ｃと、が形成された、第２の単層としての第２層３０２ｄが得られる。その後、積層数比較工程（Ｓ６）に移行され、ｎ＜Ｎと判定されると、再び積層工程（Ｓ７）が開始され、積層数比較工程において、ｎ＝Ｎと判定されるまで、積層工程（Ｓ７）及び単層形成工程（Ｓ１００）が繰り返される。
【００７５】
図８（ｅ）に示すように、所定の積層数Ｎまで積層されると、３次元形状造形物２０００が試料プレート１２１上に形成される。また、第１層３０１ｄから第Ｎ層３０Ｎｄまで積層されて形成された第１未焼結部３１０および第２未焼結部３２０も、試料プレート１２１上に形成される。そして、積層数比較工程（Ｓ６）では、ｎ＝Ｎと判定され、未焼結部除去工程に移行される。
【００７６】
（未焼結部除去工程）
未焼結部除去工程（Ｓ８）は、３次元形状造形物２０００を除く部分、すなわち第１未焼結部３１０と、第２未焼結部３２０と、を除去する工程である。未焼結部３１０，３２０の除去方法は、機械的に除去する方法、溶剤によって未焼結部３１０，３２０に含むバインダーを溶解し、残った金属粉末を除去する方法、などが適用されるが、本形態では機械的な除去を例に説明する。
【００７７】
図８（ｆ）に示すように、未焼結部除去工程（Ｓ８）では、楔状の先端を有する除去工具Ｔを第１未焼結部３１０、および第２未焼結部３２０に打ち込むことで未焼結部３１０，３２０が粉砕され、試料プレート１２１上から未焼結部３１０，３２０が除去される。そして、試料プレート１２１上には３次元形状造形物２０００が残り、これを取り出す。なお、本形態では試料プレート１２１上で未焼結部除去工程（Ｓ８）が行われることとして説明したが、別に設けられた作業台上で行ってもよい。
【００７８】
以上、説明した第３実施形態に係る３次元形状造形物２０００の３次元形成方法では、単層形成工程（Ｓ１００）に含まれる部分除去工程（Ｓ４）において、部分造形物２００１が形成される領域として形成される造形原料２００１ｅを囲むように部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが形成される。このように部分除去部２００１ｂ，２００１ｄが形成されることにより、造形原料２００１ｅが焼結工程（Ｓ５）において第２レーザー光Ｌ２によって焼結される際に、造形原料２００１ｅ外縁には第２レーザー光Ｌ２による熱が伝播する部材が存在しないため、正確な形状の部分造形物、すなわち３次元形状造形物２０００を得ることができる。
【００７９】
また、第３実施形態に係る３次元形成方法は、未焼結部除去工程（Ｓ８）が、所定の積層数Ｎが積層された後に行われることで、図９に示すような、オーバーハング部の重力方向（図示するＺ軸に沿った、図面上では下向き方向）の変形を防止することができる。
【００８０】
例えば、図９に示すように、第１層３０１ｄを除く第Ｎ層３０Ｎｄまでの間の第Ｒ層３０Ｒｄが、下層の部分造形物に対してオーバーハング部２００Ｒｆ，２００Ｒｇが形成される造形原料２００Ｒｅを例示する。第Ｒ層３０Ｒｄでは、部分除去工程（Ｓ４）において、第１レーザー光Ｌ１の熱によって、グリーンシート３００の成分であるバインダーが軟化し、オーバーハング部２００Ｒｆ，２００Ｒｇが重力方向に塑性変形を起こし易くなる。しかし、オーバーハング部２００Ｒｆ，２００Ｒｇの下層にある第Ｑ層３０Ｑｄに残された未焼結部３０Ｑｂ，３０Ｑｃによってオーバーハング部２００Ｒｆ，２００Ｒｇが支えられ、重力方向への変形が阻止される。従って、正確な３次元形状造形物２０００を得ることができる。
【００８１】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る３次元形成方法について説明する。なお、第４実施形態に係る３次元形成方法は、第３実施形態に係る３次元形成方法おける部分除去工程（Ｓ４）において、未焼結部除去工程（Ｓ８）で除去される未焼結部３１０あるいは未焼結部３２０を予め分割する分割部形成工程を含む点が異なる。従って、第４実施形態に係る３次元形成方法の説明において、第３実施形態に係る３次元形成方法と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００８２】
図１０は、第４実施形態に係る部分除去工程（Ｓ４０）を含むフローチャートである。本実施形態に係る部分除去工程（Ｓ４０）には、分割部形成工程（Ｓ４１）を含んでいる。図１１は、本実施形態に係る３次元形成方法を示す、（ａ）は外観斜視図と、外観斜視図に示すＤ−Ｄ´部の断面図、（ｂ）は外観斜視図である。
【００８３】
（部分除去工程）
本実施形態に係る部分除去工程（Ｓ４０）では、図１１（ａ）に示すように、第３実施形態に係る部分除去工程（Ｓ４）と同じ工程によって、図６（ａ）に示した外側領域３０１ｂおよび内側領域３０１ｃが形成された第１層グリーンシート３０１ａが形成される。
【００８４】
（分割部形成工程）
得られた第１層グリーンシート３０１ａの外側領域３０１ｂに対して、図１１（ａ）に示すように部分除去部２００１ｂから外側に向けて放射状に、本例では４か所の部分除去部３０１ｅ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈとなる領域に、第１レーザー光Ｌ１の第１エネルギーを照射することによって、グリーンシート３００の成分を蒸散、除去する分割部形成工程（Ｓ４１）が行われる。分割部形成工程（Ｓ４１）によって、部分除去部３０１ｅ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈが形成されることにより、外側領域３０１ｂは、分割領域３０１ｊ，３０１ｋ，３０１ｍ，３０１ｎにより構成される。すなわち、部分除去部３０１ｅ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈは外側領域３０１ｂを分割する、分割部となる。以下、部分除去部３０１ｅ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈを、分割部３０１ｅ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈという。
【００８５】
分割部形成工程（Ｓ４１）を含む部分除去工程（Ｓ４０）が行われた後、第３実施形態に係る３次元形成方法同様に積層工程（Ｓ７）及び単層形成工程（Ｓ１００）を繰り返し、積層数比較工程（Ｓ６）において、ｎ＝Ｎと判定され、図１１（ｂ）に示す、未焼結部除去工程（Ｓ８）直前の３次元形状造形物２０００を含む、第Ｎ層３０Ｎｄまで形成される。そして、分割部形成工程（Ｓ４１）によって各層に形成される分割部３０１ｅ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈは、第Ｎ層３０Ｎｄまで積層されて、分割部３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄに構成される。そして、第１未焼結部３１０は、分割部３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄによって分割された分割未焼結部３１０ｅ，３１０ｆ，３１０ｇ，３１０ｈによって構成される。
【００８６】
このように、第１未焼結部３１０が、分割部３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄによって分割された分割未焼結部３１０ｅ，３１０ｆ，３１０ｇ，３１０ｈによって構成されることにより、次の未焼結部除去工程（Ｓ８）において、除去部の粉砕を容易にすることができる。
【００８７】
なお、上述した分割部形成工程（Ｓ４１）では、外側領域３０１ｂを４分割する形態を説明したが、これに限定されず２分割以上の分割であれば良い。また、内側領域３０１ｃに分割部を形成してもよく、外側領域３０１ｂと内側領域３０１ｃの両方の領域に分割部が形成されてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１００…焼結装置、１１０…基台、１２０…ステージ、１３０…レーザー発振器、１４０…ガルバノ装置、１５０…レーザーコントローラー、１６０…ガルバノミラーコントローラー、１７０…プレスローラー、２００…材料供給装置、２１０…供給基台、２２０…供給テーブル、２３０…移送装置、２４０…材料供給装置コントローラー、３００…供給材料（グリーンシート）、４００…制御ユニット、１０００…３次元形成装置。
【図１】
2016074956.tif 000003
【図２】
2016074956.tif 000004
【図３】
2016074956.tif 000005
【図４】
2016074956.tif 000006
【図５】
2016074956.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016074956.tif 000009
【図８】
2016074956.tif 000010
【図９】
2016074956.tif 000011
【図１０】
2016074956.tif 000012
【図１１】
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