(57)【要約】【課題】粉末焼結法を利用した積層造形装置を安価かつ小型にすることである。【解決手段】本発明にかかる積層造形装置１は、ステージ１５と、ステージ１５の上の最上層に粉末層を形成する粉末層形成手段１８と、最上層の粉末層の所定の箇所の粉末を固化する固化手段２６と、を備え、粉末層の形成と粉末の固化とを繰り返すことでステージ１５の上に３次元造形物を形成する。固化手段２６は、放電回路に接続された電極対２７を備える放電ユニットを有し、電極対を用いて放電させることで最上層の粉末層の所定の箇所の粉末を固化させる。【選択図】図１
2016137689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、
前記ステージの上に粉末層を形成する粉末層形成手段と、
前記粉末層の所定の箇所の粉末を固化する固化手段と、
前記固化手段を移動する移動手段と、を備え、前記粉末層の形成と、前記粉末の固化とを繰り返すことで前記ステージの上に３次元造形物を形成する積層造形装置であって、
前記固化手段は、放電回路に接続された電極対を備える放電ユニットを有し、前記電極対を用いて放電させることで最上層の粉末層の所定の箇所の粉末を固化させることを特徴とする、
積層造形装置。
【請求項２】
前記放電ユニットは、前記電極対を用いて放電させる際、前記最上層の粉末層の前記所定の箇所の粉末を経由して放電させることで前記所定の箇所の粉末を固化させる、請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記放電ユニットは、前記電極対が備える電極の各々の極性を所定のパルス毎に又は所定の時間毎に切り替え可能に構成されている、請求項１または２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記放電ユニットは、前記放電回路から前記電極対に供給される電圧のパルス幅を変更することで前記固化する箇所の体積を調整する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記放電ユニットは、電極対と放電回路とをそれぞれ複数備え、
前記電極対の各々は、前記各々の放電回路に接続されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記移動手段は、前記電極対の先端と前記最上層の粉末層との間の距離を一定に保持する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記電極対と前記最上層の粉末層とを含む空間が減圧環境または不活性ガス環境に保持されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項８】
粉末層を形成する工程と、
前記粉末層の所定の箇所の粉末を固化する工程と、を繰り返すことでステージの上に３次元造形物を形成する積層造形方法であって、
最上層の粉末層の所定の箇所の粉末を固化する際、放電回路に接続された電極対を用いて放電させることで前記粉末を固化させることを特徴とする、
積層造形方法。
【請求項９】
前記電極対を用いて放電させる際、前記最上層の粉末層の前記所定の箇所の粉末を経由して放電させることで前記所定の箇所の粉末を固化させる、請求項８に記載の積層造形方法。
【請求項１０】
前記電極対を用いて放電させる際、前記電極対が備える電極の各々の極性を所定のパルス毎に又は所定の時間毎に切り替える、請求項８または９に記載の積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は積層造形装置、及び積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元構造体を構成する各層を積層方向に積層していくことで３次元構造体を形成する付加製造技術（ＡＭ：Additive Manufacturing）、所謂、３Ｄプリンタ技術を利用した積層造形装置が安価に入手できるようになってきている。このような安価な積層造形装置は、ＡＢＳ樹脂などを溶融しながら積層する熱溶解積層法（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）を利用した装置が主流である。
【０００３】
熱溶解積層法（ＦＤＭ）のように３次元構造体を形成する部位に選択的に材料を供給する方式では、例えばＴ字型のようなオーバーハング形状を形成する際、上の横棒を支えるためのサポート材が必要になる。このため、サポート材を構成する材料が無駄になると共に、このサポート材を除去する工程が必要になる。
【０００４】
一方、金属粉末をレーザや電子ビームを用いて焼結して３次元構造体を形成する粉末焼結法（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）も実用化されている（特許文献１参照）。粉末焼結法（ＳＬＳ）では、金属粉末を満たした層の表面にレーザを照射し、３次元構造を形成したい部位を選択的に固化させる。この方法では、固化させた部位と密度が同じ材料が、固化していない部分でも残存するため、サポート材を必要としないという利点がある。また、粉末焼結法（ＳＬＳ）では、金属粉末を用いて３次元構造体を形成することができるため、製品のプロトタイプを製作するだけではなく、工具なども作ることができるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−００７６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、粉末焼結法を利用した積層造形装置では、金属粉末を固化（焼結）させるための熱源としてレーザや電子ビームを用いている。このため、ビーム源が高価かつ大型になるため、積層造形装置も高価かつ大型になるという問題がある。
【０００７】
上記課題に鑑み本発明の目的は、粉末焼結法を利用した積層造形装置を安価かつ小型にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる積層造形装置は、ステージと、前記ステージの上に粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定の箇所の粉末を固化する固化手段と、前記固化手段を移動する移動手段と、を備え、前記粉末層の形成と、前記粉末の固化とを繰り返すことで前記ステージの上に３次元造形物を形成する積層造形装置であって、前記固化手段は、放電回路に接続された電極対を備える放電ユニットを有し、前記電極対を用いて放電させることで最上層の粉末層の所定の箇所の粉末を固化させることを特徴としている。
【０００９】
本発明にかかる積層造形方法は、粉末層を形成する工程と、前記粉末層の所定の箇所の粉末を固化する工程と、を繰り返すことでステージの上に３次元造形物を形成する積層造形方法であって、最上層の粉末層の所定の箇所の粉末を固化する際、放電回路に接続された電極対を用いて放電させることで前記粉末を固化させることを特徴としている。
【００１０】
本発明にかかる積層造形装置および積層造形方法では、放電回路に接続された電極対を用いて放電させることで粉末層の所定の箇所の粉末を固化させている。ここで、放電回路は、最高でも数百Ｖ程度の直流電源、抵抗、及びコンデンサなどの電子部品を用いて構成することができ（図４〜図６参照）、使用する部品の数が少なく、また部品のサイズも小さいため、小型に構成することができる。一方、レーザ装置は、レーザ媒質、レーザ媒質に対して励起エネルギーを与えるための放電源や光源、更にはレーザを共振させるためのミラーが必要になるため、装置が大型化する。電子ビーム装置では、電子ビームを発生させた後、最高でも百数十ｋＶ程度の高電圧電源で加速し、強力な磁界で集束する必要がある。また、加工部位周辺を高真空にする必要があり装置が大型化すると共に、使用環境が限定される。よって、本発明のように粉末を固化させるための熱源として放電ユニットを用いることで、熱源としてレーザや電子ビームを用いた場合よりも、積層造形装置を安価かつ小型にすることができる。
【００１１】
前記放電ユニットは、前記電極対を用いて放電させる際、前記最上層の粉末層の前記所定の箇所の粉末を経由して放電させることで前記所定の箇所の粉末を固化させてもよい。このように粉末を経由して放電させることで、所定の箇所の粉末を局所的に加熱することができ、所定の箇所の粉末を選択的に固化することができる。
【００１２】
前記放電ユニットは、前記電極対が備える電極の各々の極性を所定のパルス毎に又は所定の時間毎に切り替えるようにしてもよい。このような構成により、一方の電極のみが消耗することを抑制することができ、また、粉体の固化の状態にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００１３】
前記放電ユニットは、前記放電回路から前記電極対に供給される電圧のパルス幅を変更することで前記固化する箇所の体積を調整するようにしてもよい。例えば、電圧のパルス幅を短くすることで、固化する箇所の体積を小さくすることができ、積層造形装置で形成される３次元構造体の形状を微細化することができる。
【００１４】
前記放電ユニットは、電極対と放電回路とをそれぞれ複数備えていてもよく、前記電極対の各々は、前記各々の放電回路に接続されていてもよい。このように、電極対の数を複数にすることで、１度に固化できる場所を増やすことができ、積層造形装置の加工時間を短縮することができる。
【００１５】
前記移動手段は、前記電極対の先端と前記最上層の粉末層との間の距離を一定に保持するように構成されていてもよい。このような構成により、粉体を安定的に固化することができる。
【００１６】
また、本発明では、前記電極対と前記最上層の粉末層とを含む空間が減圧環境または不活性ガス環境に保持されるように構成されていてもよい。このような構成により、粉末が酸化することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、粉末焼結法を利用した積層造形装置を安価かつ小型にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態にかかる積層造形装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態にかかる積層造形装置を示す上面図である。
【図３】実施の形態にかかる積層造形装置の原理を説明するための図である。
【図４】実施の形態にかかる積層造形装置が備える放電回路の一例を示す回路図である。
【図５】実施の形態にかかる積層造形装置が備える放電回路の他の例を示す回路図である。
【図６】実施の形態にかかる積層造形装置が備える放電回路の他の例を示す回路図である。
【図７Ａ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｅ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｆ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｇ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｈ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｉ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図７Ｊ】実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための図である。
【図８】実施の形態にかかる積層造形装置が備える放電回路の他の例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１、図２はそれぞれ、本実施の形態にかかる積層造形装置を示す断面図、及び上面図である。本実施の形態にかかる積層造形装置１は、基材１１、ステージ１５、粉末層形成手段１８、固化手段２６、及び移動手段２０〜２４を備える。
【００２０】
基材１１は凹部１２を有し、凹部１２の側壁１３は鉛直方向において立設している。凹部１２は、閉曲線または多角形の断面形状（水平断面）を備える。本実施の形態では、図２に示すように、凹部１２の断面形状が正方形の場合を例として示している。また、本実施の形態では、基材１１が凹部１２を備える構成を示しているが、基材１１は側壁１３を備える中空部を有する構成（つまり、凹部１２が基材１１を貫通している構成）であってもよい。基材１１は、例えば金属材料を用いて構成することができる。
【００２１】
ステージ１５は、基材１１の側壁１３内を昇降可能に構成されている。ステージ１５の断面形状（水平断面）は、基材１１の凹部１２の断面形状と同一であり、ステージ１５は、ステージ１５の周囲側面が基材１１の側壁１３と接した状態で昇降する。本実施の形態では、図２に示すように、ステージ１５の断面形状（水平断面）が正方形の場合を例として示している。ステージ１５は、ステージ１５の下面に取り付けられた昇降部１６によって鉛直方向に移動する。積層造形装置１の製造対象である３次元構造体は、ステージ１５の上に形成される。ステージ１５は、例えば金属材料を用いて構成することができる。
【００２２】
例えば、３次元構造体を形成する際は、ステージ１５を下方向に徐々に移動させながら、３次元構造体を形成していく（図７Ａ〜図７Ｈ参照）。また、形成された３次元構造体を取り出す際は、ステージ１５を上方向に移動させて、基材１１の上面とステージ１５の上面とを同一面とすることで、形成された３次元構造体を取り出しやすくすることができる（図７Ｉ、図７Ｊ参照）。
【００２３】
粉末層形成手段１８は、ステージ１５の上に粉末層を形成する。粉末層形成手段１８は、例えばローラーを用いて構成することができる（以下、ローラー１８とも記載する）。粉末層を構成する粉末には、例えば金属粉末やセラミックス粉末（絶縁体粉末）を用いることができる。
【００２４】
ステージ１５の上に粉末層を形成する際は、まず、図７Ｂに示すように、ステージ１５を下方向に移動して、基材１１の上面とステージ１５の上面との間に段差を設ける。そして、粉末供給手段（不図示）を用いてステージ１５の上に粉末を供給した後、図７Ｃに示すように、ステージ１５の上の粉末をローラー１８で平坦にする。つまり、ローラー１８が回転しながら移動することで、ステージ１５の上の粉末が平坦になる。このような方法により、ステージ１５の上に粉末層４１を形成することができる。このとき、粉末層４１の上面は基材１１の上面と同一面となっており、また、粉末層４１の周囲は基材１１の側壁１３に囲まれている。
【００２５】
なお、上記では粉末層形成手段１８としてローラー１８を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、粉末層形成手段１８として回転しない構造体を用いてもよい。
【００２６】
図１に示す移動手段２０〜２４は、固化手段２６（以下、放電ユニット２６と記載する）をｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に沿って移動可能に構成されている。なお、ここでは、ガイド２０_１、２０_２、支持部２１_１、２１_２、ガイド２２、駆動部２３、及び移動手段２４を総称して移動手段２０〜２４と記載している。
【００２７】
放電ユニット２６は、移動手段２４に固定されている。移動手段２４はガイド２２に固定されている。ガイド２２は、支持部２１_１、２１_２に支持されている。図２に示すように、ガイド２０_１、２０_２に沿って支持部２１_１、２１_２を移動させることで、放電ユニット２６をｙ軸方向に沿って移動させることができる。また、ガイド２２の端部には駆動部２３が設けられている。駆動部２３は、放電ユニット２６をｘ軸方向に沿って移動させることができる。また、移動手段２４は、放電ユニット２６をｚ軸方向（鉛直方向）に沿って移動させることができる。
【００２８】
放電ユニット２６は、ステージ１５の上に形成された粉末層の所定の箇所の粉末を固化する。放電ユニット２６は、先端部に電極対２７を備える。本実施の形態にかかる積層造形装置１では、電極対２７を用いて放電させることで粉末層の所定の箇所の粉末を溶融または焼結して固化させている。
【００２９】
図３は、本実施の形態にかかる積層造形装置１の原理を説明するための図である。図３に示すように、放電ユニット２６は、放電回路３３に接続された電極対２７を備える。電極対２７を構成する２本の電極３１、３２は狭い間隔で配置されている。放電ユニット２６は、電極対２７を用いて放電させる際、最上層の粉末層３５の所定の箇所の粉末３６を経由して放電させることで所定の箇所の粉末３６を固化させる。
【００３０】
具体的には、電極３１と電極３２との間で放電させる際に、粉末（金属粉末）３６を経由して放電させることで、所定の箇所の粉末３６を局所的に加熱することができ、所定の箇所の粉末３６を選択的に溶融または焼結することができる。このとき、電極３１、３２と粉末層の表面との間や粉末間の界面において放電が発生し、ジュール熱が生じる。一方、放電しなかった部分の粉末３７は変化しない。本実施の形態にかかる積層造形装置１では、放電ユニット２６をｘｙ平面上において移動させながら所定の箇所の粉末を固化させることで、３次元構造体を構成する箇所に対応した部分の粉末を選択的に固化することができる（固化した箇所を符号３８で示す）。
【００３１】
また、本実施の形態にかかる積層造形装置１では、放電経路が最上層の粉末層３５に限定されるように放電ユニット２６の放電状態を調整することで、最上層の粉末層３５のみを固化することができる。つまり、最上層の粉末層３５の下の粉末層３４は放電によって固化しないようにすることができる。例えば、放電電圧、放電パルスのパルス幅、電極対２７の先端と最上層の粉末層３５との間の距離などを調整することで、放電経路を最上層の粉末層３５に限定することができる。また、粉末層３４で固化されている部分は、同じ層の固化されていない部分よりも抵抗が小さい。そのため、粉末層３５に放電した場合には、粉末層３４の固化した部分の上面にも電流が流れ、粉末層３４と粉末層３５とが密着する。
【００３２】
また、電極対２７の先端と最上層の粉末層３５との間の距離が変動すると、粉体３６の固化の状態も変動する。よって、電極対２７の先端と最上層の粉末層３５との間の距離を一定に保持するように移動手段２４を制御することが好ましい。これにより、粉体を安定的に固化することができる。
【００３３】
また、固化する箇所の体積は、放電回路３３から電極対２７に供給される電圧のパルス幅を変更することで調整することができる。例えば、放電回路３３から電極対２７に供給される電圧のパルス幅が短い場合は、放電のアーク柱直径が小さくなる。よって、電圧のパルス幅を短くすることで、固化する箇所の体積を小さくすることができ、積層造形装置１で形成される３次元構造体の形状を微細化することができる。例えば、電極対２７に供給される電圧のパルス幅を短くし、ピーク電流を大きくしつつ、粉末を固化するためのエネルギーを調整する。
【００３４】
電極対２７に供給される電圧のパルス幅を短くした場合は、アーク放電が発生した際の負極側の電流密度が正極側よりも大きいため、負極側の電極が消耗しやすい。また、放電エネルギーも電極の極性により異なるため、粉体の固化の状態に影響を与える場合がある。よって、本実施の形態にかかる積層造形装置１では、電極対２７が備える電極３１、３２の各々の極性を所定のパルス毎に、又は所定の時間毎に切り替えるように構成することが好ましい。このような構成により、一方の電極のみが消耗することを抑制することができ、また、粉体の固化の状態にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００３５】
例えば、放電回路３３は、図４に示す放電回路３３_１のように、直流電源Ｅ１１、抵抗Ｒ１１、及びコンデンサＣ１１を用いて構成することができる。コンデンサＣ１１の一端は電極３１に接続されており、他端は電極３２に接続されている。直流電源Ｅ１１の正極は、抵抗Ｒ１１を介してコンデンサＣ１１の一端に接続されている。直流電源Ｅ１１の負極は、コンデンサＣ１１の他端に接続されている。つまり、図４に示す放電回路３３_１では、コンデンサＣ１１に充電された電荷が電極３１、３２から放電される。放電回路３３_１の放電電圧は、直流電源Ｅ１１の電圧やコンデンサＣ１１の容量を変更することで、調整することができる。
【００３６】
また、放電回路３３は、図５に示す放電回路３３_２のように、直流電源Ｅ２１、抵抗Ｒ２１、コンデンサＣ２１、及びトランジスタ（Ｎチャネル）Ｑ２１〜Ｑ２４を用いて構成してもよい。コンデンサＣ２１の一端はノードＮ２１に接続され、他端はノードＮ２２に接続されている。ノードＮ２１には、抵抗Ｒ２１を介して直流電源Ｅ２１の正極が接続されている。ノードＮ２２には、直流電源Ｅ２１の負極が接続されている。トランジスタＱ２１は、ノードＮ２１と電極３２との間に設けられている。トランジスタＱ２２は、ノードＮ２２と電極３２との間に設けられている。トランジスタＱ２３は、ノードＮ２１と電極３１との間に設けられている。トランジスタＱ２４は、ノードＮ２２と電極３１との間に設けられている。
【００３７】
図５に示す放電回路３３_２は、トランジスタＱ２１〜Ｑ２４のオン・オフを切り替えることで、電極３１と電極３２の極性を切り替えることができる。具体的には、トランジスタＱ２１、Ｑ２４をオン状態、トランジスタＱ２２、Ｑ２３をオフ状態とすることで、電極３１をノードＮ２２（負極）に、電極３２をノードＮ２１（正極）にそれぞれ接続することができる。一方、トランジスタＱ２１、Ｑ２４をオフ状態、トランジスタＱ２２、Ｑ２３をオン状態とすることで、電極３１をノードＮ２１（正極）に、電極３２をノードＮ２２（負極）にそれぞれ接続することができ、電極３１と電極３２の極性を切り替えることができる。この場合も、コンデンサＣ２１に充電された電荷が電極３１、３２を介して放電される。また、放電パルスのパルス幅はトランジスタＱ２１〜Ｑ２４のオン・オフの切り替えのタイミングを調整することで変更することができる。また、放電回路３３_２の放電電圧は、直流電源Ｅ２１の電圧やコンデンサＣ２１の容量を変更することで、調整することができる。
【００３８】
また、放電回路３３は、図６に示す放電回路３３_３のように、直流電源Ｅ３１、Ｅ３２、抵抗Ｒ３１、Ｒ３２、コンデンサＣ３１、Ｃ３２、及びトランジスタ（Ｎチャネル）Ｑ３１、Ｑ３２を用いて構成してもよい。コンデンサＣ３１の一端はトランジスタＱ３１を介してノードＮ３１に接続され、他端はノードＮ３２に接続されている。コンデンサＣ３１の一端には、抵抗Ｒ３１を介して直流電源Ｅ３１の正極が接続されている。ノードＮ３２には、直流電源Ｅ３１の負極が接続されている。コンデンサＣ３２の一端はトランジスタＱ３２を介してノードＮ３１に接続され、他端はノードＮ３２に接続されている。コンデンサＣ３２の一端には、抵抗Ｒ３２を介して直流電源Ｅ３２の負極が接続されている。ノードＮ３２には、直流電源Ｅ３２の正極が接続されている。
【００３９】
図６に示す放電回路３３_３は、トランジスタＱ３１、Ｑ３２のオン・オフを切り替えることで、電極３１と電極３２の極性を切り替えることができる。具体的には、トランジスタＱ３１をオン状態、トランジスタＱ３２をオフ状態とすることで、電極３１を負極に、電極３２を正極にすることができる。一方、トランジスタＱ３１をオフ状態、トランジスタＱ３２をオン状態とすることで、電極３１を正極に、電極３２を負極にすることができる。この場合も、放電パルスのパルス幅はトランジスタＱ３１、Ｑ３２のオン・オフの切り替えのタイミングを調整することで変更することができる。
【００４０】
また、放電回路３３_３の放電電圧は、直流電源Ｅ３１、Ｅ３２の電圧やコンデンサＣ３１、Ｃ３２の容量を変更することで、調整することができる。図６に示す放電回路３３_３では、極性毎に放電電圧を変更することもできる。つまり、トランジスタＱ３１をオン状態、トランジスタＱ３２をオフ状態にした場合は、電極３１が負極に、電極３２が正極になる。この場合は、直流電源Ｅ３１の電圧とコンデンサＣ３１の容量に応じて放電回路３３_３の放電電圧が決定される。一方、トランジスタＱ３１をオフ状態、トランジスタＱ３２をオン状態にした場合は、電極３１が正極に、電極３２が負極になる。この場合は、直流電源Ｅ３２の電圧とコンデンサＣ３２の容量に応じて放電回路３３_３の放電電圧が決定される。
【００４１】
なお、上記で説明した放電回路３３_１〜３３_３は一例であり、本実施の形態にかかる積層造形装置１ではこれら以外の構成を備える放電回路を用いてもよい。
【００４２】
また、本実施の形態にかかる積層造形装置１では、粉末層を構成する粉末として金属粉末以外にセラミックス粉末（絶縁体粉末）を用いてもよい。例えば、絶縁体粉末を用いる場合は、粉末が絶縁体であるため、粉末を介さずに電極対２７の先端だけで放電させ、この放電で発生した熱を用いて絶縁体粉末を焼結する。
【００４３】
また、本実施の形態にかかる積層造形装置１では、放電ユニット２６が複数の電極対２７を備えるように構成してもよい。この場合は、複数の電極対２７毎に放電回路を設ける。このように、電極対２７の数を複数にすることで、１度に固化できる場所を増やすことができ、積層造形装置１の加工時間を短縮することができる。
【００４４】
また、放電ユニット２６は、各々の電極３１、３２の位置をそれぞれ独立に調整することができる位置調整機構を備えていてもよい。このように位置調整機構を設けることで、各々の電極３１、３２の消耗速度が異なる場合であっても、各々の電極３１、３２の長さ（つまり、各々の電極３１、３２と粉末層との距離）が同一となるように調整することができる。
【００４５】
本実施の形態にかかる積層造形装置１は制御部（不図示）を備えており、ステージ１５の昇降動作、ローラー１８の動作、放電ユニット２６の動作、及び移動手段２０〜２４の動作（放電ユニット２６の位置合わせ）は、制御部によって制御される。
【００４６】
本実施の形態にかかる積層造形装置１は、例えば３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）による設計データから３次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて粉末層の所定の箇所を固化する。つまり、制御部は、各断面データに基づいて、ステージ１５の昇降動作、ローラー１８の動作、放電ユニット２６の動作、及び移動手段２０〜２４の動作を制御して３次元構造体を形成する。
【００４７】
次に、本実施の形態にかかる積層造形装置１の動作（積層造形方法）について、図７Ａ〜図７Ｊを用いて説明する。まず、図７Ａに示すように、ステージ１５を初期位置に移動する。ここで、ステージ１５の初期位置とは、ステージ１５の上面と基材１１の上面とが同一の面となる位置である。また、積層造形装置１は、３次元ＣＡＤによる設計データから３次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを予め作成して保存しておく。
【００４８】
次に、図７Ｂに示すように、ステージ１５を下方向に移動して、基材１１の上面とステージ１５の上面との間に段差を形成する。そして、粉末供給手段（不図示）を用いてステージ１５の上に粉末を供給した後、図７Ｃに示すように、ステージ１５の上の粉末をローラー１８で平坦にする。このような方法により、ステージ１５の上に粉末層４１が形成される。このとき、粉末層４１の上面は基材１１の上面と同一面となっており、また、粉末層４１の周囲は基材１１の側壁１３に囲まれている。粉末層４１の厚さは、３次元構造体をスライスする単位高さ（ピッチ）に対応している。
【００４９】
その後、図７Ｄに示すように、放電ユニット２６をｘｙ平面上（粉末層４１の表面）において移動させながら粉末層４１の所定の箇所の粉末４２を固化する。本実施の形態にかかる積層造形装置１では、電極対２７を用いて放電させることで粉末層４１の所定の箇所の粉末４２を固化する。このとき、設計データを用いて作成した断面データに基づいて、粉末層４１の所定の箇所の粉末４２を固化する。また、電極対２７における放電状態（例えば、放電電流）をモニターし、このモニター結果に応じて電極対２７と粉末層４１との間の距離（ｚ軸方向における距離）を制御してもよい。
【００５０】
その後、図７Ｅに示すように、ステージ１５を下方向に移動して、基材１１の上面とステージ１５の上の最上層（粉末層４１）の上面との間に段差を形成する。そして、粉末供給手段（不図示）を用いて最上層（粉末層４１）の上に粉末を供給した後、図７Ｆに示すように、最上層（粉末層４１）の上の粉末をローラー１８で平坦にする。このような方法により、最上層（粉末層４１）の上に新たに粉末層４３が形成される。このとき、粉末層４３の上面は基材１１の上面と同一面となっており、また、粉末層４３の周囲は基材１１の側壁１３に囲まれている。粉末層４３の厚さは、３次元構造体をスライスする単位高さ（ピッチ）に対応している。
【００５１】
その後、図７Ｇに示すように、放電ユニット２６をｘｙ平面上（粉末層４１の表面）において移動させながら粉末層４３の所定の箇所の粉末４４を固化する。このとき、本実施の形態にかかる積層造形装置１では、放電経路が最上層の粉末層４３に限定されるように放電ユニット２６の放電状態を調整しているので、最上層の粉末層４３のみを固化することができる。
【００５２】
このように、ステージ１５を降下させつつ（図７Ｂ、図７Ｅ）、粉末層４１、４３の形成（図７Ｃ、図７Ｆ）と、粉末の固化（図７Ｄ、図７Ｇ）とを繰り返すことで、図７Ｈに示すように、所定の箇所の粉末が固化された複数の粉末層４６をステージ１５の上に形成することができる。本実施の形態にかかる積層造形装置１では、固化されていない部分の粉末は、固化されている部分と同程度の密度を持つため、固化されていない部分の上に固化されている部分を形成することができる。つまり、各粉末層を形成している粉末自体がサポート材としての役割を果たすため、容易にオーバーハング形状の３次元構造体を形成することができる。
【００５３】
その後、図７Ｉに示すように、ステージ１５を上昇させて、複数の粉末層４６を基材１１の凹部１２の外に移動する。複数の粉末層４６には、固化されている部分４７と固化されていない部分（粉末）４８とが混在している。そして、固化されていない部分（粉末）４８を除去し、固化されている部分４７のみを残すことで、図７Ｊに示すように、３次元造形物４７を形成することができる。
【００５４】
以上で説明したように、本実施の形態にかかる積層造形装置１では、放電回路３３に接続された電極対２７を用いて放電させることで粉末層の所定の箇所の粉末を固化させている。ここで、放電回路３３は、直流電源、抵抗、及びコンデンサなどの電子部品を用いて構成することができ（図４〜図６参照）、使用する部品の数が少なく、また部品のサイズも小さいため、小型に構成することができる。一方、レーザ装置は、レーザ媒質（炭酸ガス、ＹＡＧ、ファイバ等）、レーザ媒質に対して励起エネルギーを与えるための放電源や光源、更にはレーザを共振させるためのミラーが必要になるため、装置が大型化する。
また、半導体レーザを用いた場合は、上記のような固体レーザ装置等よりは小型に構成することができるが、レーザ出力が低いため、粉末を固化させるための熱源として使用することはできない。よって、本実施の形態にかかる積層造形装置１のように、金属粉末を焼結するための熱源として放電ユニット２６を用いることで、熱源としてレーザや電子ビームを用いた場合よりも、積層造形装置を安価かつ小型にすることができる。また、積層造形装置の維持、管理、保守等も容易になる。
【００５５】
例えば、放電を利用した付加製造技術では、加工液油中に分散させた粉末を液中で放電することにより堆積する方法が実用化されている。しかし、この方法では、堆積が進むにつれて電流経路の特性が変化するため、形成される３次元構造体の厚さはサブミリ程度が限界であり、任意の３次元形状を形成するには至っていない。また、表面から台座（ステージ）に向かって電流が流れるため、堆積層の厚さにより電気的特性や熱的特性が変化する。
【００５６】
これに対して本実施の形態にかかる積層造形装置では、電流経路が粉末層の表層だけに限定されるため、それまでに堆積した粉末層の厚さの影響を受けにくくなる。また、電極対には通常の放電加工に用いられるような金属細線を用いることができるため、微細加工が可能になる。
【００５７】
また、本実施の形態にかかる積層造形装置では、電極対２７と最上層の粉末層とを含む空間を減圧環境（真空）または不活性ガス環境に保持するようにしてもよい。例えば、図１に示す積層造形装置１において、基材１１の上にカバーを設けて、ステージ１５、粉末層形成手段（ローラー）１８、固化手段（放電ユニット）２６、及び移動手段２０〜２４を覆うようにしてもよい。本実施の形態にかかる積層造形装置では、放電を利用して材料を加熱しているため通常の大気中でも固化することができる。しかし、酸化しやすい粉末材料を用いる場合は、減圧環境（真空）または不活性ガス環境とすることで、粉末材料が酸化することを抑制することができる。
【００５８】
また、本実施の形態にかかる積層造形装置では、各々の粉末層を形成する際に、複数種類の粉末材料を用いてもよい。このとき、各々の粉末の混合の比率を粉末層毎に変えることで、積層方向に組成が変化した３次元構造体（つまり、傾斜機能材料層を備えた３次元構造体）を形成することができる。また、粉末に磁性体を含む場合には、磁性体を磁化させておくことで粉末同士が集まりやすくなり、粉末層の形成が容易になる。
【００５９】
また、図４に示した構成の放電回路を用いた場合は、粉末層が中間電位になり帯電する場合がある。粉末の粒径が小さい場合には静電気力により、粉末同士に働く反発力が重力よりも大きくなり、粉末が飛散することがある。このような粉末の飛散を抑制するために、本実施の形態にかかる積層造形装置では、図８に示すような放電回路３３_４を用いてもよい。図８に示す放電回路３３_４は、直流電源Ｅ４１、Ｅ４２、抵抗Ｒ４１〜Ｒ４３、コンデンサＣ４１を備える。電極３１は抵抗Ｒ４２を介して直流電源Ｅ４１の正極に接続されている。電極３２は抵抗Ｒ４１を介して直流電源Ｅ４２の負極に接続されている。コンデンサＣ４１の一端は電極３１に接続され、他端は電極３２に接続されている。ステージ１５（導電性）は抵抗Ｒ４３を介してノードＮ４１に接続されている。ノードＮ４１は直流電源Ｅ４１の負極および直流電源Ｅ４２の正極と接続されている。
【００６０】
このとき、ノードＮ４１をグランド電位とし、ノードＮ４１とステージ１５とを高抵抗の抵抗Ｒ４３を介して接続することで、粉末３９（導電性）をグランド電位にすることができる。そして、抵抗Ｒ４１および抵抗Ｒ４２の抵抗値をそれぞれ抵抗Ｒ４３の抵抗値よりもはるかに小さくしておけば、放電電流は抵抗Ｒ４３には流れず、抵抗Ｒ４１、Ｒ４２へと流れるようにすることができる。放電回路をこのような構成とすることで、粉末３９の帯電を抑制することができる。よって、上記で説明した粉末層の固化の原理を変えることなく、粉末３９の飛散を抑制することができる。
【００６１】
また、本実施の形態にかかる積層造形装置では、粉末を固化して３次元構造体を形成した後、放電ユニット２６の放電条件を変えて、３次元構造体の不要な部分を除去する加工をしてもよい。
【００６２】
上記では、ステージを降下させつつ粉末層の形成と、粉末の固化とを繰り返すことで、ステージの上に３次元造形物を形成する積層造形装置について説明した。しかし、本実施の形態にかかる発明は、ステージが固定された構成の積層造形装置、つまり、ステージの上に粉末層を形成する粉末層形成手段と粉末層の所定の箇所の粉末を固化する固化手段とが昇降可能に構成された積層造形装置（例えば、特許文献１に開示されている積層造形装置を参照）にも適用することができる。
【００６３】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６４】
１  積層造形装置
１１  基材
１２  凹部
１３  側壁
１５  ステージ
１６  昇降部
１８  ローラー（粉末層形成手段）
２０_１、２０_２  ガイド
２１_１、２１_２  支持部
２２  ガイド
２３  駆動部
２４  移動手段
２６  放電ユニット（固化手段）
２７  電極対
３１、３２  電極
３３、３３_１〜３３_３  放電回路
３４、３５  粉末層
【図１】
2016137689.tif 000003
【図２】
2016137689.tif 000004
【図３】
2016137689.tif 000005
【図４】
2016137689.tif 000006
【図５】
2016137689.tif 000007
【図６】
2016137689.tif 000008
【図７Ａ】
2016137689.tif 000009
【図７Ｂ】
2016137689.tif 000010
【図７Ｃ】
2016137689.tif 000011
【図７Ｄ】
2016137689.tif 000012
【図７Ｅ】
2016137689.tif 000013
【図７Ｆ】
2016137689.tif 000014
【図７Ｇ】
2016137689.tif 000015
【図７Ｈ】
2016137689.tif 000016
【図７Ｉ】
2016137689.tif 000017
【図７Ｊ】
2016137689.tif 000018
【図８】
2016137689.tif 000019