(57)【要約】      （修正有）【課題】金属系三次元造形物を低エネルギー消費で運用する小型軽量の金属三次元造形装置、及びそれに適用される操作簡便の金属三次元造形方法を提供する。【解決手段】金属系三次元造形物を成型する金属三次元造形装置１００であって、エネルギー供給部と、金属イオン供給部と、電子供給部と、電荷移動用スペースと、集積物保持部と、制御部とを備える金属系三次元造形装置１００。金属系三次元造形装置１００や３Ｄプリンターに適用され、金属イオン供給工程と、電子発生工程と、金属集積物形成工程と、立体成型工程とを備え、エネルギーの提供により、電子供給部で発生した電子と、金属イオンとの結合により還元された金属を集積し、層状の集積物を形成して積層することで、金属系三次元造形物を成型する金属三次元造形方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属系三次元造形物を成型する金属三次元造形装置であって、
レーザー光、電荷、光圧又は磁気を発生することが可能なエネルギー供給部と、
金属イオンを発生する金属材、金属基板または導電性フィルム、或いは金属イオンを含む媒体である金属イオン供給部と、
前記エネルギー供給部又は前記金属イオン供給部に対面して配置され、エネルギーにより電子を提供することが可能な金属材、金属基板または導電性フィルムである電子供給部と、
真空空間又は、電子又は金属イオンの移動に用いられるスペースである電荷移動用スペースと、
金属材、金属基板または導電性基板である集積物保持部と、
前記金属イオン部及び前記電子供給部を陰極または陽極として機能させることを少なくとも制御できる制御部とを備え、
前記エネルギー供給部からのエネルギーの提供により、前記電子供給部で発生した電子と、前記前記金属イオン部からの金属イオンとの結合による還元により得られた金属を所定の平面形状に集積した層状の集積物を形成し、前記層状の集積物を前記造形物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型することを特徴とする金属三次元造形装置。
【請求項２】
前記集積物保持部と前記エネルギー供給部とが相対的に滑りながら移動するスライド機構をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の金属三次元造形装置。
【請求項３】
前記エネルギー供給部は、レーザー光照射源、エキシマレーザー光照射源、電子線照射源、ＬＥＤ光照射源、紫外光照射源、遠赤外線光照射源、電荷発生源、光圧発生源、及び磁気発生源からなる群から選択した１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属三次元造形装置。
【請求項４】
前記金属イオン、金属材、金属基板、または金属フィルムにおける金属は、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、チタン及びそれらの配合物からなる群より選択した少なくとも一つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属系三次元造形物の成型装置。
【請求項５】
前記媒体は、金属イオンを含む液体又は気体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属三次元造形装置。
【請求項６】
金属三次元造形装置に適用され、金属系三次元造形物を成型する金属系三次元造形方法であって、
前記エネルギー供給部からのエネルギーにより、前記電子供給部で電子を発生させる電子発生工程と、
前記電子発生工程にて得られた前記電子と、前記金属イオンとを結合し、酸化還元反応により得られた還元金属を所定の形状に集積した層状の集積物を形成する金属集積物形成工程と、
前記層状の集積物を前記造形物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型する立体成型工程とを備えることを特徴とする金属三次元造形方法。
【請求項７】
前記電荷移動用スペースは、真空空間である場合、金属イオンを提供する金属イオン発生工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の金属三次元造形方法。
【請求項８】
前記エネルギー供給部は、レーザー光照射源、エキシマレーザー光照射源、電子線照射源、ＬＥＤ光照射源、紫外光照射源、遠赤外線光照射源、電荷発生源、光圧発生源、及び磁気発生源からなる群から選択した１つであることを特徴とする請求項６又は７に記載の金属三次元造形方法。
【請求項９】
前記金属イオン、金属材、金属基板、または金属フィルムにおける金属は、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、チタン及びそれらの配合物からなる群より選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項６又は７に記載の金属三次元造形方法。
【請求項１０】
前記金属イオン、金属材、金属基板、または金属フィルムにおける金属は、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、チタン及びそれらの配合物からなる群より選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項７又は８に記載の金属三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属三次元造形装置、及びそれに適用される金属三次元造形方法に関する。特に、金属系三次元造形物を低エネルギー消費で運用する小型軽量の金属三次元造形装置、及びそれに適用される操作簡便の金属三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属部品の製造法として、例えば、機械加工、ダイカスト、精密鋳造、粉末冶金、モールド、及び粉末焼結などが知られており、以降は、第五世代の金属加工法と称される金属粉末射出成型法、チクソモールディング法等の電子製品、生体医療機器分野への進出が顕著である。
【０００３】
ただし、それらの加工法では低エネルギー消費の手法ではなく、切削、加熱や加圧などで大きなエネルギーを用いており、引いてはエネルギーの提供、熱の発散などのため、いずれの手法を適用する装置も小型軽量でないという欠点がある。
【０００４】
一方、光造形法、粉末法、熱溶解積層法（ＦＤＭ法）、シート積層法、インクデェットなどの積層造形法を用いるラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping）と呼ばれる加工法は、小型・少量生産の実用品の生産などの様々な用途で使われており、近年は、特に、３ＤＣＡＤ、データを元に立体（３次元のオブジェクト）を造形する３Ｄプリンタの普及が製造業を中心に急速に進んでいる。
【０００５】
ただし、ラピッドプロトタイピングでは、金属成型用製品においても、従来の金属部品成型法と同様に、製作には時間を要し、また作成コストも高くつくという問題点がある。
【０００６】
従って、金属立体造形物の製造の操作簡便化や低エネルギー消費化を実現できる小型軽量の金属三次元造形装置、及び金属三次元造形方法の開発が期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の現状を踏まえて、従来技術の問題点を解決することができると共に、金属立体造形物の製造の操作簡便化や低エネルギー消費化を実現できる小型軽量の金属三次元造形装置、及び金属三次元造形方法の提供を課題とする。
【０００８】
上記従来技術の欠点に鑑みて、発明者らは、業界での数年積み重なった経験に基づいて、様々の諸改善方案を鋭意に考察して検討研究した結果、従来技術の問題点を解決することができると共に、金属系三次元造形物を低エネルギー消費で製造できる小型軽量の金属三次元造形装置、及びその金属三次元造形装置に適用されると共に、操作簡便で金属系三次元造形物を低エネルギー消費で製造できる金属三次元造形方法を見出し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る金属三次元造形装置は、金属系三次元造形物を成型する金属三次元造形装置であって、エネルギー供給部と、金属イオン供給部と、電子供給部と、電荷移動用スペースと、集積物保持部と、制御部とを備え、前記エネルギー供給部からのエネルギーの提供により、前記電子供給部で発生した電子と、前記前記金属イオン部からの金属イオンとの結合による還元により得られた金属を所定の平面形状に集積した層状の集積物を形成し、前記層状の集積物を前記造形物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型することができる。
【００１０】
前記エネルギー供給部は、レーザー光、電荷、光圧又は磁気を発生することができ、前記金属イオン供給部は金属イオンを発生する金属材、金属基板または導電性フィルム、或いは金属イオンを含む媒体であり、前記電子供給部は、前記エネルギー供給部又は前記金属イオン供給部に対面して配置され、電子又は電荷を提供することが可能な金属材、導電性基板又は導電性フィルムであり、前記電荷移動用スペースは、真空空間又は、電子や金属イオンの移動に用いられるスペースであり、前記集積物保持部は、金属材、導電性基板又は導電性フィルムであり、前記制御部は、前記金属イオン部及び前記電子供給部を陰極または陽極として機能させることを少なくとも制御することができる。
【００１１】
ここで、本発明に係る上記金属三次元造形装置によれば、従来金属加工法の加熱、加圧又は切削等による熱力学的作用を利用しないため、金属を数ワット程度の消費電力で数グラム／時間程度以上の小規模加工をすることが可能となる。また、従来のＳＬＡ積層造形方式と相違しており、陰極と陽極が同一の構成要素で形成する必要がないため、陰極と陽極を金属イオン流に合わせるように変更する制御方法を実現することができる。従って、本発明に係る上記金属三次元造形装置によると、従来技術よりも金属三次元造形物の製造の低エネルギー消費化、操作の簡便化、迅速化を実現できる効果を果たすことができる。
【００１２】
金属系三次元造形物を成型する金属系三次元造形装置や３Ｄプリンターに適用され、金属イオン供給部で金属イオンを供給する金属イオン供給工程と、エネルギー供給部からのエネルギーにより、電子供給部で電子を発生させる電子発生工程と、前記電子発生工程にて得られた前記電子と、前記金属イオンとを結合し、酸化還元反応により得られた還元金属を所定の形状に集積した層状の集積物を形成する金属集積物形成工程と、前記層状の集積物を前記集積物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型する立体成型工程とを備える金属三次元造形方法を提供することができる。
【００１３】
ここで、本発明に係る金属三次元造形方法によれば、複数の金属イオンのうち所望のイオンのみを選択的に使用できる上に、異なる金属イオンの混合により複合材質を得ることができる。また、陽極と陰極を電気的に反転させることにより造形及び材料配給の双方向性が実現可能である。さらに、携帯電話程度のサイズの手に持って運用できる小型、軽量の金属三次元造形装置装置を実現することができる。従って、本発明に係る金属三次元造形方法を利用すると、従来技術よりも金属三次元造形物の製造効率を向上させる効果を果たすことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る金属三次元造形方法を利用すると、従来技術よりも金属三次元造形物の製造効率を向上させる効果を果たすことができる。また本発明によれば、従来技術の問題点を解決することができると共に、金属立体造形物の製造の操作簡便化や低エネルギー消費化を実現できる小型軽量の金属三次元造形装置、及び金属三次元造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る金属三次元造形装置を示す概略模式図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る金属三次元造形装置を示す縦断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの金属三次元造形装置の平面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の一例として、金属イオンを含む媒体を金属イオン供給部とする金属三次元造形装置を示す縦断面図である。
【図４】本発明に係る第２実施形態の一例として、金属イオンを発生する可能な金属材を金属イオン供給部とする金属三次元造形装置を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係る第３実施形態の一例として、金属陽極を金属イオン供給部として使用する金属三次元造形装置を示す縦断面図である。
【図６Ａ】本発明に係る金属三次元造形装置を利用して、金属立体造形物を製作する操作の一例を示す縦断面図である。
【図６Ｂ】本発明に係る金属三次元造形装置を利用して、金属立体造形物を製作する操作の一例を示す縦断面図である。
【図６Ｃ】本発明に係る金属三次元造形装置を利用して、金属立体造形物を製作する操作の一例を示す縦断面図である。
【図６Ｄ】本発明に係る金属三次元造形装置を利用して、金属立体造形物を製作する操作の一例を示す縦断面図である。
【図６Ｅ】本発明に係る金属三次元造形装置の使用により、各層を層ずつ積層して形成する金属立体造形物を示す概略模式図である。
【図７Ａ】本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、第一金属層が金属Ｍ１、金属Ｍ２からなる金属立体造形物を示す縦断面図である。
【図７Ｂ】本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、第一金属層２０１Ｂの上に、第二金属層２０２Ｂを形成する金属立体造形物を示す縦断面図である。
【図８Ａ】本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、異なるパターンの光をエネルギー供給部より照射することで、所望の形状（Ｔ字状又は逆Ｔ字状）を持つ集積物（金属層）を有する金属立体造形体を示す縦断面図である。
【図８Ｂ】本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、異なるパターンの光をエネルギー供給部より照射することで、所望の形状（Ｔ字状又は逆Ｔ字状）を持つ集積物（金属層）を有する金属立体造形体を示す縦断面図である。
【図８Ｃ】本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、異なるパターンの光をエネルギー供給部より照射することで、所望の形状（Ｔ字状又は逆Ｔ字状）を持つ集積物（金属層）を有する金属立体造形体を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第１観点に係る金属三次元造形方法を示す概略模式図である。
【図１０】本発明の第２観点に係る金属三次元造形方法を示す概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明のいくつかの実施形態に係る金属三次元造形装置について、添付する図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
【００１７】
図１に、本発明に係る金属三次元造形装置の概略模式図を示す。図２Ａは本発明の第１実施形態に係る金属三次元造形装置を示す縦断面図である。図２Ｂは  図２Ａの金属三次元造形装置の平面図である。その中、Ｍ＋は金属イオンを表す；１００は、金属三次元造形装置を表す；１１０は、エネルギー供給部を表す；１２０は、金属イオン供給部を表す；１３０は、電子供給部を表す；１４０は、電荷移動用スペースを表す；１５０は、集積物保持部を表す；１６０は、制御部を表す。
【００１８】
図１に示すとおり、本発明に係る金属三次元造形装置１００は、金属系三次元造形物を成型する３Ｄプリンターであって、エネルギー供給部１１０と、金属イオン供給部１２０と、電子供給部１３０と、電荷移動用スペース１４０と、集積物保持部１５０と、制御部１６０とを備える。本発明に係る金属三次元造形装置１００では、前記エネルギー供給部１１０からのエネルギーの提供により、前記電子供給部１３０で発生した電子と、前記金属イオン部１２０からの金属イオンとの結合による還元により得られた金属を所定の平面形状に集積した層状の集積物を形成し、前記層状の集積物を前記集積物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型することができる。
【００１９】
前記エネルギー供給部１１０は必要に応じて少なくとも１つのエネルギー供給ユニットを含んでも良い。前記金属イオン供給部１２０は少なくとも１つの金属イオン供給ユニットを含んでも良い。前記電子供給部１３０は少なくとも１つの電子供給ユニットを含んでも良い。前記集積物保持部１５０は少なくとも１つの集積物保持ユニットを含んでも良い。前記制御部は少なくとも１つの制御ユニットを含んでも良い。
【００２０】
本発明に係る金属三次元造形装置において、前記エネルギー供給部１１０は、レーザー光、電荷、光圧又は磁気を発生することができものであれば、特に制限されていない。一例として、例えば、レーザー光照射源、エキシマレーザー光照射源、電子線照射源、ＬＥＤ光照射源、紫外光照射源、遠赤外線光照射源、電荷発生源、光圧発生源、磁気発生源などが挙げられる。好ましくは、レーザー光照射源、エキシマレーザー光照射源、電子線照射源、紫外光照射源、電荷発生源、光圧発生源、又は磁気発生源であり、より好ましくはレーザー光照射源、エキシマレーザー光照射源、電子線照射源、電荷発生源、光圧発生源、又は磁気発生源であり、特に好ましくは、レーザー光照射源、エキシマレーザー光照射源、電荷発生源、光圧発生源、又は磁気発生源である。
【００２１】
本発明に係る金属三次元造形装置において、前記金属イオン供給部１２０は金属イオンを発生するものであれば、特に制限されていない。一例として、例えば、金属材、金属基板、導電性フィルム、又は、金属イオンを含む媒体が挙げられる。
【００２２】
本発明に係る金属三次元造形装置に用いられる前記媒体は、特に制限されていないが、液体でも良く、気体でも良い。一例として、例えば、金属イオンを含む液体又は気体が挙げられる。好ましくは、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、又はチタンの金属イオンを含む液体又は気体であり、より好ましくは、銅、銀、又は金の金属イオンを含む液体又は気体であり、特に好ましくは、銅または銀の金属イオンを含む液体又は気体である。
【００２３】
本発明に係る金属三次元造形装置に用いられる前記金属イオンは、特に制限されていないが、一例として、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、チタン及びそれらの配合物からなる群より選択した少なくとも一つの金属の金属イオンであれば良い。好ましくは、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、又はチタンの金属イオンであり、より好ましくは、銅、銀、又は金の金属イオンであり、特に好ましくは、銅または銀の金属イオンである。
【００２４】
本発明に係る金属三次元造形装置において、前記電子供給部１３０は、前記エネルギー供給部１１０又は前記金属イオン供給部１２０に対面して配置される。また、前記電子供給部１３０は、陰極又は陽極として使用することができると共に、金属イオンが還元する基材とする役割も果たすものが望ましい。一例として、例えば、金属材、導電性基板又は導電性フィルムが挙げられる。更に、本発明に係る金属三次元造形装置の前記電子供給部としては、透明又は半透明で適度な抵抗値を有する導電性フイルム又は導電性基板が望ましい。
【００２５】
前記電荷移動用スペース１４０は、真空空間又は、電子や金属イオンの移動に用いられるスペースであれば、特に制限されていない。一例として、例えば、一定の収納空間を持つケース、ボックス、ハウジングのような容器、スペースなどが挙げられる。
【００２６】
本発明に係る金属三次元造形装置において、前記集積物保持部１５０は、前記エネルギー供給部１１０又は前記電子供給部１２０に対面して配置される。また、前記集積物保持部１５０は、陰極又は陽極として使用することができると共に、金属イオンが還元する基材となる役割も果たすものが望ましい。一例として、例えば、電子又は電荷を提供する可能な金属材、導電性基板又は導電性フィルムが挙げられる。更に、本発明に係る金属三次元造形装置の前記集積物保持部としては、透明又は半透明で適度な抵抗値を有する導電性フィルム又は導電性基板が望ましい。
【００２７】
本発明に係る金属三次元造形装置において、前記制御部１６０は、前記金属イオン部１２０及び前記電子供給部１３０を陰極または陽極として機能させることを少なくとも制御することができるものであれば良い。また、前記制御部は、金属イオンの酸化、移動、還元に対して制御できる機能を更に持つものが望ましい。好ましくは、所望の造形物を得ることについて、コンピュータにより制御することができるものである。
【００２８】
本発明に係る金属三次元造形装置において、前記電子供給部及び／又は前記集積物保持部として使用される前記金属材、金属基板または金属フィルムは、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、チタン及びそれらの配合物からなる群より選択した少なくとも一つの金属で形成したものが挙げられる。好ましくは、銅、銀、金、鉄、ニッケル、すず、又はチタンからなる金属材、金属基板または金属フィルムであり、より好ましくは、銅、銀、又は金からなる金属材、金属基板または金属フィルムであり、特に好ましくは、銅または銀からなる金属材、金属基板または金属フィルムである。
【００２９】
本発明に係る金属三次元造形装置１００は、前記集積物保持部１５０と、前記エネルギー供給部１１０または前記電子供給部１３０とが相対的に滑りながら移動するスライド機構１７０をさらに含むことができる。スライド機構１７０で前記集積物保持部を移動するとき又はその後において、制御部１６０で陰極と陽極を互いに交換すると、前記集積物保持部の上にさらに金属イオンと電子との結合により還元された金属集積物を形成することができる。
【００３０】
本発明に係る金属三次元造形方法は、３Ｄプリンター（金属三次元造形装置）に適用され、金属系三次元造形物を成型する金属系三次元造形方法である。本発明の第１観点によれば、本発明の金属三次元造形方法は、図９の示すように、前記エネルギー供給部からのエネルギーにより、前記電子供給部で電子を発生させる電子発生工程Ｓ１１０と、前記電子発生工程にて得られた前記電子と、前記金属イオンとを結合し、酸化還元反応により得られた還元金属を所定の形状に集積した層状の集積物を形成する金属集積物形成工程Ｓ１２０と、前記層状の集積物を前記造形物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型する立体成型工程Ｓ１３０とを備える。
【００３１】
本発明の第２観点によれば、本発明の金属三次元造形方法は、本発明に係る金属三次元造形方法は、電荷移動用スペースは真空空間である場合、図１０の示すように、金属イオンを提供する金属イオン発生工程Ｓ１００と、前記エネルギー供給部からのエネルギーにより、前記電子供給部で電子を発生させる電子発生工程Ｓ１１０と、前記電子発生工程にて得られた前記電子と、前記金属イオンとを結合し、酸化還元反応により得られた還元金属を所定の形状に集積した層状の集積物を形成する金属集積物形成工程Ｓ１２０と、前記層状の集積物を前記造形物保持部にて積層することで、金属系三次元造形物を成型する立体成型工程Ｓ１３０とを備える。
【００３２】
以下、本発明のいくつかの実施形態について説明する。但し、本発明は、以下に例として挙げられた実施形態に限定されない。
【００３３】
〈第１〜第３実施形態〉
例えば、本発明に係る第１実施形態の一例として、金属イオンを含む媒体を金属イオン供給部とすることができる。この場合、図３の示すように配置することで、実施形態の金属三次元造形装置を構成することができる。同図において、Ｍ＋は金属イオンを表し、１８０は、金属イオン供給部を表し、１８３は、金属イオン供給ユニットを表し、１８１は金属イオン輸送パイプを表し、１８２は、金属イオン供給ポンプを表す。
【００３４】
そして、本発明に係る第２実施形態の一例として、金属イオンを発生することが可能な金属材を金属イオン供給部とすることができる。この場合、図４の示すように配置することで、第２実施形態の金属三次元造形装置を構成することができる。同図において、Ｍ＋は金属イオンを表し、１９０は、金属イオン供給部を表し、１９３は、金属イオン供給ユニットを表し、１９１はパイプを表し、１９２は、供給ポンプを表す。
【００３５】
本発明に係るこの第１、第２実施形態の金属三次元造形装置によれば、従来技術よりも金属三次元造形物の製造効率を向上させる効果を果たしているので、金属三次元造形装置を小型軽量化にする上で、金属立体造形物の製造の低エネルギー消費化と操作簡便化を実現することができる。
【００３６】
更に、本発明に係る第３実施形態の一例として、金属陽極を金属イオン供給部として使用することができる。この場合、図５の示すように配置することで、第２実施形態の金属三次元造形装置を構成するができる。同図において、Ｍ＋は金属イオンを表し、１２０は金属イオン供給部を表し、１３０は、電子供給部を表し、１４０は、電荷移動用スペースを表し、１５０は、集積物保持部を表す。本発明に係るこの第１、第２実施形態の金属三次元造形装置によれば、金属イオン輸送パイプ１８１、金属イオン供給ポンプ１８２のような機構部件が不要となるため、従来技術の問題点を解決することができると共に、金属三次元造形装置を小型軽量化にする上で、金属立体造形物の製造の低エネルギー消費化と操作簡便化を実現することができる。
【００３７】
〈金属立体造形物の製作例〉
〈単一金属からなる立体造形物の製作例〉
【００３８】
図６Ａ〜図６Ｄは本発明に係る金属三次元造形装置を利用して、金属立体造形物を製作する操作の一例を示す縦断面図である。図６Ｅは本発明に係る金属三次元造形装置の使用により、各層を層ずつ積層して形成する金属立体造形物を示す概略模式図である。
【００３９】
図６Ａ、図６Ｂの示すように、制御部の指令により所望の電界（例えば、「＋」にする）を印加することで、金属イオンが電荷移動スペース内に電子との結合で還元し、層状の集積物を陰極（例えば、電子供給部における導電性フィルム）上に形成することができる。そして、図６Ｃの示すように、制御部の指令により、所望の電界（例えば、「−」にする）を変換すると共に、スライド機構を下降させることで、その層状の集積物（第一金属層）に接近することができる。次いで、図６Ｄの示すように、制御部の指令により、スライド機構を上昇させることで、その層状の集積物（金属層）を徐々に上昇させることができる。
【００４０】
その後、このように「−」電界を保持すると、当該層状の集積物（第一金属層）の上に、別の金属イオンと電子との結合で還元した新たな金属からなる層状の集積物（第二金属層）を形成して積層することができる。このような操作ステップを繰り返すことで、第二金属層、第三金属層・・・第Ｎ金属層を成形して積層することができる。このように、本発明に係る金属三次元造形装置を利用すると、図６Ｅの示すような複数の金属層、例えば、第一金属層、第二金属層、第三金属層、・・・第Ｎ金属層からなる三次元物体を造形することができる。
【００４１】
但し、本発明に係る金属立体造形物を製作する実例は、この図６Ａ〜図６Ｄに示す実施態様に制限されない。必要であれば、使用者や設計者は所要に応じて本発明に係る金属三次元造形装置の製作方法の操作順を適切に調整することができる。例えば、図６Ａ、図６Ｂの示すようにした後、図６Ｃの操作をせず、その代わりに他の作動を行うとしても、第一金属層、第二金属層・・・第Ｎ金属層を成形し積層してなった金属立体造形物を得ることも可能である。換言すれば、図６Ｃの操作の代わりに、電界の変換やスライド機構の下降など操作の全部を省略するか、又はその一部を調整して行うこととしてもいい。
【００４２】
一例として、例えば、図６Ａ、図６Ｂの示すように金属イオンと電子を結合して還元した層状の集積物を陰極上に形成するが、その第一金属層を成形した後、スライド機構の下降を行わせず、制御部の指令により、所望の電界を付加させると、その第一金属層の上に第二金属層とする層状の集積物を成形して積層することができる。このような操作を同様にしてその第二金属層の上に第三金属層、・・・第Ｎ金属層を形成し、更にそれを繰り返すれば、第一金属層、・・・第Ｎ金属層からなる三次元物体を造形することができる。
【００４３】
一方、本発明に係る金属立体造形物の製作方法によれば、集積物（金属層）の支持材としての導電性フィルムは、金属三次元造形装置において任意の箇所に設置することが可能である。図６Ａの示すように、電荷移動スペースの底部に位置するのが一般的であるが、導電性フィルムの設置箇所はそれに制限されていない。例えば、電荷移動スペースの頂部、スライド機構の下方に位置されてもよい。
【００４４】
〈複数の金属からなる立体造形物の製作例〉
本発明に係る金属三次元造形装置の利用によれば、第一金属層、第二金属層、第三金属層、・・・第Ｎ金属層における金属は必ずしも同一である必要はなく、相違している金属でも、立体造形物を製作することも可能である。即ち、本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、上記に述べたように操作を調整して繰り返すことで、単一金属からなる三次元物体を造形することができる以外に、異なる複数の金属からなる三次元物体を造形することができる。例えば、一例として、金属イオンＭ１＋、金属イオンＭ１＋金属Ｍ１を提供する場合、図７Ａ、図７Ｂの示すように操作することで、金属Ｍ１、金属Ｍ２からなる複数の金属からなる立体造形物を製作することができる。
【００４５】
図７Ａは本発明に係わる金属三次元造形装置の利用により、第一金属層が金属Ｍ１、金属Ｍ２からなる金属立体造形物を示す縦断面図である。当該第一金属層において、２０１Ａで表記する区域は、金属イオンＭ１＋の還元金属Ｍ１からなり、２０２Ａで表記する区域は金属イオンＭ２＋の還元金属Ｍ２からなる。図７Ｂは本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、第一金属層２０１Ｂの上に、第二金属層２０２Ｂを形成する金属立体造形物を示す縦断面図である。金属Ｍ１は金属Ｍ２と異なっている金属である。
【００４６】
〈複雑な形状の立体造形物の製作例〉
上記では本発明に係る金属三次元造形装置により、制御部を介して陽極及び陰極の間に、正電圧または負電圧を印加することにより、金属イオンを電荷移動スペース内に移動し、電子との酸化還元反応を引き起こすことで、図３〜図５、図６Ａ〜図６Ｅ、及び図７Ａ〜図７Ｂの示すとおり、シート状の金属層を形成することができることについて説明したが、以下に複雑な形状の立体造形物の製作例について述べる。
【００４７】
本発明に係る金属三次元造形装置において、必要に応じて制御部により電圧差を集積物保持部と電子供給部の間に付加することで、集積物保持部を陽極又は陰極に変換して使用することができ、また必要に応じて電子供給部を陽極及び陰極に変換して使用することができる。なお、一定のエネルギー、例えば、電界、磁場、電磁場、又は光をエネルギー供給部から付加することで、集積物保持部と電子供給部を互いに陽極及び／又は陰極を変換して使用することができる。従って、本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、必要に合わせるように所望のシート状又はプロファイルを持つ積層物を、陽極及び／又は陰極（例えば、集積保持部及び／又は電子供給部）上の所定の位置に形成して積層することも可能である。
【００４８】
更に具体的に言えば、本発明に係る金属三次元造形装置において、導電性フィルムを含む電子供給部に対し、必要に応じて、全体又は一部のみをレザー光照射することにより、金属イオンと電子との結合により還元された金属を、陰極における所定の箇所に形成することができる。このようにして、例えば、図８Ａ〜８Ｃにそれぞれ示すＴ字状、逆Ｔ字状、凹状、又は凸状を持つ集積物（金属層）を有する金属立体造形体を実現する。換言すれば、本発明に係る金属三次元造形装置の利用により、図８Ａ〜８Ｃに示す操作順に沿って行うことで、所望の複雑な形状のプロファイル、例えば、Ｔ字状、逆Ｔ字状、凹状、凸状などを持つ集積物（金属層）を有する金属立体造形体を製作することができる。
【００４９】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
【００５０】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る金属三次元造形方法や金属三次元造形装置では、金属の種類や構成などを特定せず、単一材質一体造形を実現することができるだけなく、多材質、異種材質、混合材質を選別して一体造形することも実現される。また、本発明は、従来金属加工法の加熱、加圧又は切削等による熱力学的作用を利用しないことで、数ワット程度の消費電力で数グラム／時間程度以上の小規模加工が可能となるため、金属三次元造形物を製造する方法、装置、３Ｄプリンターとして広範に利用され得る。また、装置の小型、軽量で縮小化が実現でき、携帯電話程度のサイズで手に持って運用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００    金属三次元造形装置
１１０    エネルギー供給部
１２０    金属イオン供給部
１３０    電子供給部
１４０    電荷移動用スペース
１５０    集積物保持部
１６０    制御部
１７０    スライド機構
１８０    金属イオン供給部
１８１    金属イオン供給ポンプ
１８２    金属イオンパイプ
１８３    金属イオン供給ユニット
１９０    金属イオン供給部
１９１    金属イオン供給ポンプ
１９２    金属イオンパイプ
１９３    金属イオン供給ユニット
Ｓ１００  金属イオン発生工程
Ｓ１１０  電子発生工程
Ｓ１２０  金属集積物形成工程
Ｓ１３０  立体成型工程
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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