(57)【要約】【課題】高精度な三次元造形物を製造する。【解決手段】層を積層することにより三次元造形物５００を製造する三次元造形物５００の製造装置２０００であって、三次元造形物５００を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物５００の材料層３１０を形成する材料層形成部１２３０と、材料層３１０のうちの三次元造形物５００の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を加熱可能な第１加熱部８１０と、第１加熱部８１０による加熱時における該第１加熱部８１０による加熱領域Ｈ１の周辺領域Ｈ２を加熱可能な第２加熱部８４０と、を備えることを特徴とする三次元造形物の製造装置２０００。【選択図】図９
2017087612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置であって、
三次元造形物を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物の材料層を形成する材料層形成部と、
前記材料層のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を加熱可能な第１加熱部と、
前記第１加熱部による加熱時における該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を加熱可能な第２加熱部と、
を備えることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記第１加熱部は、レーザー照射部であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記第２加熱部は、バーナー又はヒーターであることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記第２加熱部は、該第２加熱部による加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を可変であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記第２加熱部は、複数の加熱エネルギーの発射口を備え、加熱エネルギーを発射する発射口を変更することにより加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を可変であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記第１加熱部は、加熱領域を移動させて前記焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、
前記第２加熱部による加熱領域は、固定されているとともに、前記第１加熱部による加熱領域の移動範囲を含むことを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記第１加熱部は、加熱領域を移動させて前記焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、
前記第２加熱部による加熱領域は、前記第１加熱部による加熱領域の移動とともに移動することを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項８】
層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
三次元造形物を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物の材料層を形成する材料層形成工程と、
前記材料層のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を第１加熱部で加熱しつつ、該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を第２加熱部で加熱する加熱工程と、を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、層を積層することにより三次元造形物を製造する製造方法が実施されている。  
このうち、流動性組成物を用いて層を形成しながら三次元造形物を製造する製造方法が開示されている。例えば、特許文献１には、金属ペーストを用いて層を形成し、三次元造形物の対応領域にレーザーを照射して焼結又は溶融しながら三次元造形物を製造する製造方法が開示されている。  
また、特許文献２に記載されているように、積層された三次元造形物をガスバーナーで炙るなどして表面を熱し、表面の硬度を高くすることが実行される場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８４６２２号公報
【特許文献２】特開２００３−２６６５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の三次元造形物の製造方法では、三次元造形物の対応領域を局所的に加熱することで、加熱領域とその周辺部での温度差が大きくなり、層を形成する材料が飛散する場合があった。このような層の形成材料の飛散が生じると、高精度な三次元造形物を製造することが困難になる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高精度な三次元造形物を製造することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の製造装置は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置であって、三次元造形物を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物の材料層を形成する材料層形成部と、前記材料層のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を加熱可能な第１加熱部と、前記第１加熱部による加熱時における該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を加熱可能な第２加熱部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本態様によれば、材料層のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を加熱可能な第１加熱部と、第１加熱部による加熱時における該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を加熱可能な第２加熱部と、を備える。このため、焼結領域又は溶融領域である第１加熱部による加熱領域とその周辺部との温度差を小さくすることができ、材料層を形成する構成材料が飛散することを抑制することができる。したがって、高精度な三次元造形物を製造することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１の態様において、前記第１加熱部は、レーザー照射部であることを特徴とする。
【０００９】
本態様によれば、第１加熱部はレーザー照射部である。このため、焼結領域又は溶融領域である第１加熱部による加熱領域を精度よく焼結又は溶融させることができ、特に高精度な三次元造形物を製造することができる。
【００１０】
本発明の第３の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１又は第２の態様において、前記第２加熱部は、バーナー又はヒーターであることを特徴とする。
【００１１】
本態様によれば、第２加熱部はバーナー又はヒーターである。このため、第１加熱部による加熱領域よりも広い範囲を簡単に加熱することができる。
【００１２】
本発明の第４の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記第２加熱部は、該第２加熱部による加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を可変であることを特徴とする。
【００１３】
本態様によれば、第２加熱部は、該第２加熱部による加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を可変である。このため、三次元造形物の形状や大きさ、或いは、構成材料の種類などに応じて、第２加熱部による加熱領域の形状及び範囲を適切に調整することができる。
【００１４】
本発明の第５の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第４の態様において、前記第２加熱部は、複数の加熱エネルギーの発射口を備え、加熱エネルギーを発射する発射口を変更することにより加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を可変であることを特徴とする。
【００１５】
本態様によれば、第２加熱部は、複数の加熱エネルギーの発射口を備え、加熱エネルギーを発射する発射口を変更することにより加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を可変である。このため、このような簡単な構成で加熱領域の形状及び範囲の少なくとも一方を変更できる。
【００１６】
本発明の第６の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記第１加熱部は、加熱領域を移動させて前記焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、前記第２加熱部による加熱領域は、固定されているとともに、前記第１加熱部による加熱領域の移動範囲を含むことを特徴とする。
【００１７】
本態様によれば、第１加熱部は、加熱領域を移動させて焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、第２加熱部による加熱領域は、固定されているとともに、第１加熱部による加熱領域の移動範囲を含む。すなわち、第２加熱部を固定し第１加熱部のみを移動させて三次元造形物を製造することができる。このため、第２加熱部の移動機構を設ける必要が無いので、装置構成を簡単にすることができる。
【００１８】
本発明の第７の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記第１加熱部は、加熱領域を移動させて前記焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、前記第２加熱部による加熱領域は、前記第１加熱部による加熱領域の移動とともに移動することを特徴とする。
【００１９】
本態様によれば、第１加熱部は加熱領域を移動させて焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、第２加熱部による加熱領域は第１加熱部による加熱領域の移動とともに移動する。すなわち、第１加熱部と第２加熱部との両方を移動させて三次元造形物を製造する。このため、第２加熱部の加熱領域の大きさを適度な大きさに抑制することができるので、第２加熱部の加熱領域を大きくする負荷を抑制することができる。
【００２０】
本発明の第８の態様の三次元造形物の製造方法は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、三次元造形物を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物の材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を第１加熱部で加熱しつつ、該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を第２加熱部で加熱する加熱工程と、を有することを特徴とする。
【００２１】
本態様によれば、加熱工程において、材料層のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を第１加熱部で加熱しつつ、該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を第２加熱部で加熱する。このため、焼結領域又は溶融領域である第１加熱部による加熱領域とその周辺部との温度差を小さくすることができ、材料層を形成する構成材料が飛散することを抑制することができる。したがって、高精度な三次元造形物を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１Ａは本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図、図１Ｂは図１Ａに示すＣ部の拡大図。
【図２】図２Ａは本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図、図２Ｂは図２Ａに示すＣ’部の拡大図。
【図３】本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図。
【図４】本発明の一の実施形態に係るヘッドベースの概略透視図。
【図５】本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と、三次元造形物の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。
【図６】三次元造形物の形成形態を概念的に説明する概略図。
【図７】ヘッドベースに配置されるヘッドユニットの、その他の配置の例を示す模式図。
【図８】本発明の一の実施形態に係る加熱部の概略透視図。
【図９】本発明の一の実施形態に係る加熱部の概略図。
【図１０】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造過程を表す概略図。
【図１１】本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。  
図１から図３は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。  
ここで、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、２種類の材料供給部（ヘッドベース）と３種類の加熱部とを備えている。このうち、図１は、一の材料供給部（構成材料（三次元造形物を構成する粉末と溶媒とバインダーとを含む材料）を供給する材料供給部）のみを表した図である。また、図２は、一の材料供給部（三次元造形物を形成する際に該三次元造形物を支持する支持部を形成する支持部形成用材料を供給する材料供給部）と、一の加熱部（支持層形成用材料を焼結させるためのレーザーＬを用いた加熱部）と、を表した図である。そして、図３は、加熱部としての、三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域を加熱可能な第１加熱部（レーザーＬを用いた加熱部）と、第１加熱部による加熱時における該第１加熱部による加熱領域の周辺領域を加熱可能な第２加熱部（バーナーを用いた加熱部）と、を表した図である。  
なお、本明細書における「三次元造形」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、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。
【００２４】
図１から図３に示す三次元造形物の製造装置２０００（以下、形成装置２０００という）は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段としての駆動装置１１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動、あるいはＺ軸を中心とする回転方向に駆動可能に備えられたステージ１２０を備えている。  
そして、図１で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に構成材料を吐出する構成材料吐出部１２３０を備えるヘッドユニット１４００を複数保持するヘッドベース１１００が保持固定される、ヘッドベース支持部１３０を備えている。  
また、図２で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に三次元造形物を支持する支持層形成用材料を吐出する支持層形成用材料吐出部１７３０を備えるヘッドユニット１９００を複数保持するヘッドベース１６００が保持固定される、ヘッドベース支持部７３０と、を備えている。  
また、図３で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に第１加熱部としてのレーザー照射部８１０と第２加熱部としてのバーナー８４０とを備えた加熱部を保持する加熱部ベース８８０が保持固定される、加熱部ベース支持部８３０と、を備えている。  
ここで、ヘッドベース１１００と、ヘッドベース１６００と、加熱部ベース８８０とは、ＸＹ平面において並列に設けられている。  
なお、構成材料吐出部１２３０と支持層形成用材料吐出部１７３０とは同様の構成のものである。ただし、このような構成に限定されない。
【００２５】
ステージ１２０上には、三次元造形物５００が形成される過程での層５０１、５０２及び５０３が形成される。三次元造形物５００の形成には、レーザーＬなどによる熱エネルギーの照射がなされるため、ステージ１２０の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート１２１を用いて、試料プレート１２１の上に三次元造形物５００を形成してもよい。本実施形態の試料プレート１２１は頑丈で製造の容易な金属製のものである。しかしながら、試料プレート１２１としては、例えばセラミック板を用いることで、高い耐熱性を得ることができ、更に溶融（あるいは焼結されてもよい）される三次元造形物の構成材料との反応性も低く、三次元造形物５００の変質を防止することができる。なお、図１Ａ及び図２Ａでは、説明の便宜上、層５０１、５０２及び５０３の３層を例示したが、所望の三次元造形物５００の形状まで（図１Ａ及び図２Ａ中の層５０ｎまで）積層される。  
ここで、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎは、各々、支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出される支持層形成用材料で形成される支持層３００と、構成材料吐出部１２３０から吐出される構成材料で形成される材料層３１０と、で構成される。
【００２６】
また、図１Ｂは、図１Ａに示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図１Ｂに示すように、ヘッドベース１１００は、複数のヘッドユニット１４００が保持されている。詳細は後述するが、１つのヘッドユニット１４００は、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。構成材料吐出部１２３０は、吐出ノズル１２３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１２３０ａから構成材料を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。
【００２７】
図２Ｂは、図２Ａに示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。図２Ｂに示すように、ヘッドベース１６００は、複数のヘッドユニット１９００が保持されている。ヘッドユニット１９００は、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。支持層形成用材料吐出部１７３０は、吐出ノズル１７３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１７３０ａから支持層形成用材料を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。また、支持層形成用材料を焼結させるためのレーザー照射部３１００と、レーザー照射部３１００からのレーザー光を位置決めするガルバノミラー３０００をステージ１２０の上方に備えている。
【００２８】
図３で表される加熱部ベース８８０のレーザー照射部８１０は、レーザーコントローラー８２０の制御により、構成材料を用いて形成される三次元造形物の材料層３１０の加熱領域Ｈ１（図９参照）に向けてレーザーＬを照射可能な構成になっている。また、加熱部ベース８８０のバーナー８４０は、バーナーコントローラー８５０の制御により、レーザー照射部８１０による加熱領域Ｈ１の周辺領域Ｈ２（図９参照）を加熱可能な構成になっている。加熱部ベース８８０による材料層３１０の加熱に関しての詳細は後述する。
【００２９】
図１で表されるように、構成材料吐出部１２３０は、ヘッドベース１１００に保持されるヘッドユニット１４００それぞれに対応させた構成材料を収容した構成材料供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の構成材料が構成材料供給ユニット１２１０から構成材料吐出部１２３０に供給される。構成材料供給ユニット１２１０には、本実施形態に係る形成装置２０００によって造形される三次元造形物５００の構成材料が構成材料収容部１２１０ａに収容され、個々の構成材料収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の構成材料吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の構成材料収容部１２１０ａを備えることにより、ヘッドベース１１００から、複数の異なる種類の材料を供給することができる。
【００３０】
図２で表されるように、支持層形成用材料吐出部１７３０は、ヘッドベース１６００に保持されるヘッドユニット１９００それぞれに対応させた支持層形成用材料を収容した支持層形成用材料供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の支持層形成用材料が支持層形成用材料供給ユニット１７１０から支持層形成用材料吐出部１７３０に供給される。支持層形成用材料供給ユニット１７１０には、三次元造形物５００を造形する際の支持層を構成する支持層形成用材料が支持層形成用材料収容部１７１０ａに収容され、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の支持層形成用材料吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａを備えることにより、ヘッドベース１６００から、複数の異なる種類の支持層形成用材料を供給することができる。
【００３１】
構成材料及び支持層形成用材料としては、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）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（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、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとを含むスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料などにして用いることが可能である。  
また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックも用いることが可能である。  
このように、構成材料及び支持層形成用材料に特に限定はなく、上記金属以外の金属やセラミックスや樹脂等も使用可能である。
【００３２】
溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。  
バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又は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）或いはその他の熱可塑性樹脂である。
【００３３】
形成装置２０００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三次元造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０、並びに、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０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。そして、制御ユニット４００には、図示しないが、ステージ１２０及び構成材料吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０及び支持層形成用材料吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０、レーザー照射部８１０及びバーナー８４０が連携して駆動及び動作するよう制御する制御部を備えている。
【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に備える駆動装置１１１に送られ、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向にステージ１２０が移動する。ヘッドユニット１４００に備える構成材料吐出部１２３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１５００において構成材料吐出部１２３０に備える吐出駆動部１２３０ｂにおける吐出ノズル１２３０ａ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吐出ノズル１２３０ａから所定量の構成材料が吐出される。  
同様に、ヘッドユニット１９００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１５００において支持層形成用材料吐出部１７３０に備える吐出駆動部１７３０ｂにおける吐出ノズル１７３０ａ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吐出ノズル１７３０ａから所定量の支持層形成用材料が吐出される。  
そして、レーザー照射部８１０及びバーナー８４０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、レーザーコントローラー８２０及びバーナーコントローラー８５０において加熱タイミングを制御する信号が生成され、生成された信号によりレーザー照射部８１０及びバーナー８４０から所定のタイミングでレーザーＬの照射及び炎Ｆ（図９参照）の噴射がなされる。
【００３５】
次に、ヘッドユニット１４００についてさらに詳細に説明する。なお、ヘッドユニット１９００は、ヘッドユニット１４００と同様の構成である。このため、ヘッドユニット１９００についての詳細な構成の説明は省略する。  
図４及び図５は、ヘッドベース１１００に複数保持されるヘッドユニット１４００及び構成材料吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、このうち図５は、図１Ｂに示す矢印Ｄ方向からのヘッドベース１１００の外観図である。
【００３６】
図４に示すように、ヘッドベース１１００に複数のヘッドユニット１４００が、図示しない固定手段によって保持されている。また、図５で表されるように、本実施形態に係る形成装置２０００のヘッドベース１１００では、図下方より第１列目のヘッドユニット１４０１、第２列目のヘッドユニット１４０２、第３列目のヘッドユニット１４０３、そして第４列目のヘッドユニット１４０４の、４ユニットが千鳥状に配置されたヘッドユニット１４００を備えている。そして、図５Ａで表されるように、ステージ１２０をヘッドベース１１００に対してＸ方向に移動させながら各ヘッドユニット１４００から構成材料を吐出させて材料層構成部５０（材料層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。材料層構成部５０の形成手順については後述する。  
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０４に備える構成材料吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して構成材料供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれる構成となっている。
【００３７】
図４に示すように、構成材料吐出部１２３０は吐出ノズル１２３０ａから、ステージ１２０上に載置された試料プレート１２１上に向けて三次元造形物の構成材料である材料Ｍが吐出される。ヘッドユニット１４０１では、材料Ｍが液滴状で吐出される吐出形態を例示し、ヘッドユニット１４０２では、材料Ｍが連続体状で供給される吐出形態を例示している。材料Ｍの吐出形態は、液滴状であっても連続体状であっても、どちらでもよいが、本実施形態では材料Ｍは液滴状で吐出される形態により説明する。
【００３８】
吐出ノズル１２３０ａから液滴状に吐出された材料Ｍは、略重力方向に飛翔し、試料プレート１２１上に着弾する。ステージ１２０は移動し、着弾した材料Ｍにより材料層構成部５０が形成される。この材料層構成部５０の集合体が、試料プレート１２１上に形成される三次元造形物５００の材料層３１０（図１参照）として形成される。
【００３９】
次に、材料層構成部５０の形成手順について、図５及び図６を用いて説明する。  
図５は、本実施形態のヘッドユニット１４００の配置と、材料層構成部５０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図６は、材料層構成部５０の形成形態を概念的に表す側面図である。
【００４０】
まず、ステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、複数の吐出ノズル１２３０ａから材料Ｍが液滴状に吐出され、試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが配置され、材料層構成部５０が形成される。  
より具体的には、まず、図６Ａで表されるように、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に一定の間隔で材料Ｍを配置させる。
【００４１】
次に、図６Ｂで表されるように、ステージ１２０を図１に示す−Ｘ方向に移動させながら、一定の間隔で配置された材料Ｍの間を埋めるように新たに材料Ｍを配置させる。  
ただし、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが重なるように（間隔を空けないように）配置させる構成（ステージ１２０のＸ方向における往復移動で材料層構成部５０を形成する構成ではなく、ステージ１２０のＸ方向における片側の移動のみで材料層構成部５０を形成する構成）としても良い。
【００４２】
上記のように材料層構成部５０を形成することによって、図５Ａで表されるような、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＸ方向における１ライン分（Ｙ方向における１ライン目）の材料層構成部５０（材料層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。
【００４３】
次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における２ライン目の材料層構成部５０’（材料層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、ノズル間のピッチをＰとすると、Ｐ／ｎ（ｎは自然数）ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。本実施例ではｎを３として説明する。  
図６Ａ及び図６Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図５Ｂで表されるような、Ｙ方向における２ライン目の材料層構成部５０’（材料層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）が形成される。
【００４４】
次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における３ライン目の材料層構成部５０’’ （材料層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、Ｐ／３ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。  
そして、図６Ａ及び図６Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図５Ｃで表されるような、Ｙ方向における３ライン目の材料層構成部５０’’ （材料層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）が形成され、材料層３１０を得ることができる。
【００４５】
また、構成材料吐出部１２３０から吐出される材料Ｍを、ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３、１４０４のいずれか１ユニット、あるいは２ユニット以上からその他ヘッドユニットと異なる構成材料を吐出供給することもできる。従って、本実施形態に係る形成装置２０００を用いることによって、異種材料から形成される三次元造形物を得ることができる。
【００４６】
なお、第１層目の層５０１において、上述したように材料層３１０を形成する前或いは後に、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、同様の方法で、支持層３００を形成することができる。そして、層５０１に積層させて層５０２、５０３、・・・５０ｎを形成する際にも、同様に、材料層３１０及び支持層３００を形成することができる。なお、支持層３００は焼結されなくてもよいが、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いて焼結されることが望ましい。
【００４７】
上述の本実施形態に係る形成装置２０００が備えるヘッドユニット１４００及び１９００の数及び配列は、上述した数及び配列に限定されない。図７に、その例として、ヘッドベース１１００に配置されるヘッドユニット１４００の、その他の配置の例を模式図的に示す。
【００４８】
図７Ａは、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００をＸ軸方向に複数、並列させた形態を示す。図７Ｂは、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００を格子状に配列させた形態を示す。なお、いずれも配列されるヘッドユニットの数は、図示の例に限定されない。
【００４９】
次に、加熱部（加熱部ベース８８０）による材料層３１０の加熱について説明する。  
図８は加熱部ベース８８０を構成するバーナー８４０の上方からの（＋Ｚ方向から見た）概略透視図であり、図９は加熱部ベース８８０の（−Ｙ方向から見た）概略図である。
【００５０】
図８で表されるように、本実施例のバーナー８４０は、炎Ｆの噴射口８７０（加熱エネルギーを発射する発射口）が下面（レーザー照射部８１０とは反対側の面）に複数設けられている。そして、バーナーコントローラー８５０の制御によって、これらの複数の噴射口８７０からの炎Ｆの噴射のオン及びオフをすることにより、炎Ｆの噴射領域を可変な構成になっている。例えば、バーナー８４０に設けられた全噴射口８７０をオンにすることにより、炎Ｆの噴射領域を領域Ｒ１（バーナー８４０の下面全体）とすることができるとともに、バーナー８４０に設けられた噴射口８７０の一部のみをオンにすることにより、炎Ｆの噴射領域を領域Ｒ２（バーナー８４０の下面の一部）とすることができる。このような構成により、炎Ｆの噴射領域の大きさだけでなく形状も可変になっており、すなわち、周辺領域Ｈ２としての加熱領域の大きさ及び形状が可変になっている。
【００５１】
また、図８及び図９で表されるように、バーナー８４０の中央部には、上面から下面に抜ける孔部８６０が形成されている。このため、図９で表されるように、孔部８６０を介して、バーナー８４０は、レーザー照射部８１０から照射されるレーザーＬを通過させることが可能になっている。このような構成により、本実施例の加熱部ベース８８０は、レーザー照射部８１０から照射されるレーザーＬによる加熱領域Ｈ１（焼結領域又は溶融領域）を所望の温度（材料層３１０を焼結又は溶融させる温度）にすることができるとともに、その周辺領域Ｈ２を材料が飛散することを抑制可能な温度にすることができる。  
ここで、加熱領域Ｈ１の加熱温度は材料層３１０を焼結させる温度とし周辺領域Ｈ２の加熱温度は材料層３１０を溶融も焼結もさせない温度（溶媒、バインダーの少なくとも一方を除去する温度）とすることができる。  
また、加熱領域Ｈ１の加熱温度は材料層３１０を溶融させる温度とし周辺領域Ｈ２の加熱温度は材料層３１０を溶融させない温度（溶媒、バインダーの少なくとも一方を除去する温度。材料層３１０を焼結させてもよい。）とすることができる。  
また、加熱領域Ｈ１の加熱温度は材料層３１０を焼結させる温度とし、周辺領域Ｈ２の加熱温度は加熱領域Ｈ１の加熱温度よりも低い温度で焼結（加熱領域Ｈ１による焼結状態よりも相対的に弱い結合力で粉末が固まった焼結）させることができる。
【００５２】
上記のように、本実施例の形成装置２０００は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置である。そして、三次元造形物を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物の材料層３１０を形成する材料層形成部としての構成材料吐出部１２３０を備えている。また、材料層３１０のうちの三次元造形物の構成領域に対応する加熱領域Ｈ１（焼結領域又は溶融領域）を加熱可能なレーザー照射部８１０と、レーザー照射部８１０による加熱時における該レーザー照射部８１０による加熱領域Ｈ１の周辺領域Ｈ２を加熱可能なバーナー８４０と、を備えている。このため、焼結領域又は溶融領域である第１加熱部（レーザー照射部８１０）による加熱領域Ｈ１とその周辺部（周辺領域Ｈ２）との温度差を小さくすることができ、材料層３１０を形成する構成材料が飛散することを抑制することができる構成になっている。したがって、高精度な三次元造形物を製造することができる構成になっている。
【００５３】
また、上記のように、本実施例における第１加熱部は、レーザー照射部８１０であるため、焼結領域又は溶融領域である第１加熱部による加熱領域Ｈ１を精度よく焼結又は溶融させることができ、特に高精度な三次元造形物を製造することができる。
【００５４】
また、上記のように、本実施例における第２加熱部は、バーナーであるため、第１加熱部による加熱領域Ｈ１よりも広い範囲を簡単に加熱することができる。  
なお、第２加熱部がヒーターである場合も、同様に、第１加熱部による加熱領域Ｈ１よりも広い範囲を簡単に加熱することができる。  
ただし、特にバーナーは小型化しやすく、低コストであり、待機時間も短いという長所がある。
【００５５】
また、上記のように、本実施例におけるバーナー８４０は、複数の噴射口８７０からの炎Ｆの噴射のオン及びオフをすることにより、該バーナー８４０による加熱領域（周辺領域Ｈ２）の形状及び範囲の少なくとも一方を可変である。このため、このような簡単な構成で、三次元造形物の形状や大きさ、或いは、構成材料の種類などに応じて、バーナー８４０による加熱領域の形状及び範囲を適切に調整することができる。
【００５６】
また、本実施例の加熱部ベース８８０は、レーザー照射部８１０とバーナー８４０との位置が固定された状態で移動する構成となっている。すなわち、本実施例の形成装置２０００は、レーザー照射部８１０の加熱領域Ｈ１を移動させて焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、バーナー８４０による加熱領域（周辺領域Ｈ２）はレーザー照射部８１０による加熱領域Ｈ１の移動とともに移動する構成となっている。このように、レーザー照射部８１０とバーナー８４０との両方を移動させて三次元造形物を製造する構成となっているため、バーナー８４０による加熱領域（周辺領域Ｈ２）の大きさを適度な大きさに抑制することができるので、バーナー８４０の加熱領域を大きくする負荷を抑制することができる。
【００５７】
しかしながら、第１加熱部と第２加熱部とを別体として設け、第１加熱部は加熱領域Ｈ１を移動させて焼結領域又は溶融領域を加熱可能であり、第２加熱部による加熱領域は固定されているとともに第１加熱部による加熱領域の移動範囲を含む構成（例えば、資料プレート１２１全体を加熱可能な構成）としてもよい。このような構成とすることで、第２加熱部を固定し第１加熱部のみを移動させて三次元造形物を製造することができる。すなわち、第２加熱部の移動機構を設ける必要が無いので、装置構成を簡単にすることができる。
【００５８】
さらには、レーザー照射部８１０とバーナー８４０の両方を共に移動可能であるとともに、バーナー８４０の位置に対してレーザー照射部８１０の位置を所定範囲で変更可能な構成としてもよい。
【００５９】
次に、上述の本実施形態に係る形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一実施例について説明する。  
図１０は、形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造過程の一部の一例を表す概略図であり、第１層目の層５０１の材料層３１０を加熱（焼結）する際の概略図である。
【００６０】
図１０Ａは、構成材料吐出部１２３０及び支持層形成用材料吐出部１７３０を使用して試料プレート１２１の上に第１層目の層５０１を形成した状態を表している。さらに、試料プレート１２１に対する加熱部ベース８８０の位置が、図１０Ａで表されるような、材料層３１０に対するレーザー照射部８１０による加熱領域Ｈ１及びバーナー８４０による加熱領域（周辺領域Ｈ２）の位置となるように、ステージ１２０を移動させた状態を表している。
【００６１】
図１０Ｂは、図１０Ａで表される位置からステージ１２０を−Ｘ方向に移動させつつ、レーザー照射部８１０により加熱領域Ｈ１を加熱しバーナー８４０により周辺領域Ｈ２を加熱した状態を表している。図１０Ｂは、併せて、ステージ１２０の移動に伴って加熱された材料層３１０の加熱領域Ｈ１が焼結されて焼結層３２０が形成された状態を表している。
【００６２】
その後、ステージ１２０を＋Ｙ方向に移動させ、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させつつ、レーザー照射部８１０により加熱領域Ｈ１を加熱しバーナー８４０により周辺領域Ｈ２を加熱した状態を、図１０Ｃでは、表している。
【００６３】
そして、図１０Ｄは、図１０Ａで表される状態から図１０Ｃで表される状態までに行われた動作を繰り返すことで、第１層目の層５０１分の材料層３１０の全領域を焼結した状態を表している。  
さらに、本実施例の三次元造形物の製造方法は、図１０Ａで表される状態から図１０Ｄで表される状態までに行われた動作を繰り返すことで、第１層目の層５０１から所定の層５０ｎまで材料層３１０を形成しつつこれを焼結し、三次元造形物を製造する。  
なお、本実施例の三次元造形物の製造方法では、三次元造形物の構成領域と材料層３１０の形成領域とが一致し、材料層３１０の全領域を該三次元造形物の構成領域として焼結している。しかしながら、本実施例の形成装置２０００は、材料層３１０の一部領域が三次元造形物の構成領域となるように、材料層３１０を該三次元造形物の構成領域よりも大きく形成し、該三次元造形物の構成領域に対応する材料層３１０の一部領域のみを焼結させることも可能である。
【００６４】
次に、上記形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一例（図１０に対応する例）についてフローチャートを用いて説明する。  
ここで、図１１は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートである。
【００６５】
図１１で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、最初にステップＳ１１０で、三次元造形物のデータを取得する。詳細には、例えばパーソナルコンピューターにおいて実行されているアプリケーションプログラム等から、三次元造形物の形状を表すデータを取得する。
【００６６】
次に、ステップＳ１２０で、層毎のデータを作成する。詳細には、三次元造形物の形状を表すデータにおいて、Ｚ方向の造形解像度に従ってスライスし、断面毎にビットマップデータ（断面データ）を生成する。  
この際、生成されるビットマップデータは、三次元造形物の構成領域（材料層３１０の形成領域）と三次元造形物の非構成領域（支持層３００の形成領域）とで区別されたデータになっている。
【００６７】
次に、ステップＳ１３０で、形成しようとする層のデータが、三次元造形物の非形成領域（支持層３００）を形成するデータか三次元造形物の形成領域（材料層３１０）を形成するデータかを判断する。なお。この判断は制御ユニット４００に備えられた制御部により行われる。  
本ステップで、支持層３００を形成するデータと判断された場合はステップＳ１４０に進み、材料層３１０を形成するデータと判断された場合はステップＳ１５０に進む。
【００６８】
ステップＳ１４０では、支持層３００を形成するデータに基づいて支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出することにより、支持層形成用材料を供給（支持層３００を形成）する。  
そして、ステップＳ１４０で支持層形成用材料を吐出すると、ステップＳ１６０で、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いてレーザーＬを照射（エネルギー付与）して支持層３００を焼結させる。ただし、本ステップ（ステップＳ１６０）は、省略してもよい。  
さらには、本実施例の三次元造形物の製造方法では、ステップＳ１４０で支持層３００を形成しているが、支持層３００を形成することなく材料層３１０を形成してもよく、ステップＳ１４０を省略することも可能である。別の表現をすると、形成装置２０００の構成から支持層形成用材料供給装置１７００、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を省略することも可能である。
【００６９】
一方、ステップＳ１５０では、構成材料吐出部１２３０から構成材料を吐出することにより、構成材料を供給（材料層３１０を形成）する。  
そして、ステップＳ１５０で構成材料を吐出すると、ステップＳ１７０で、レーザー照射部８１０により加熱領域Ｈ１（焼結領域又は溶融領域）を加熱し、バーナー８４０により周辺領域Ｈ２を加熱する。なお、本ステップは、不活性ガスや触媒ガス雰囲気の下で行うことが特に好ましい。
【００７０】
そして、ステップＳ１８０により、ステップＳ１２０において生成された各層に対応するビットマップデータに基づく三次元造形物の造形が終了するまで、ステップＳ１３０からステップＳ１８０までが繰り返される。  
そして、ステップＳ１８０の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。
【００７１】
上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法である。そして、三次元造形物を構成する粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む構成材料を用いて三次元造形物の材料層３１０を形成する材料層形成工程（ステップＳ１５０に対応）と、材料層３１０のうちの三次元造形物の構成領域に対応する焼結領域又は溶融領域をレーザー照射部８１０で加熱しつつ、該レーザー照射部８１０による加熱領域Ｈ１の周辺領域Ｈ２をバーナー８４０で加熱する加熱工程（ステップＳ１７０に対応）と、を有する。このため、焼結領域又は溶融領域であるレーザー照射部８１０による加熱領域Ｈ１とその周辺部（周辺領域Ｈ２）との温度差を小さくすることができ、材料層３１０を形成する構成材料が飛散することを抑制することができる。したがって、高精度な三次元造形物を製造することができる。
【００７２】
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ及び５０ｈ…材料層構成部、
１１０…基台、１１１…駆動装置、１２０…ステージ、１２１…試料プレート、
１３０…ヘッドベース支持部、３００…支持層、３１０…材料層、３２０…焼結層、
４００…制御ユニット、４１０…ステージコントローラー、５００…三次元造形物、
５０１、５０２及び５０３…層、７３０…ヘッドベース支持部、
８１０…レーザー照射部（第１加熱部）、８２０…レーザーコントローラー、
８３０…加熱部ベース支持部、８４０…バーナー（第２加熱部）、
８５０…バーナーコントローラー、８６０…孔部、８７０…噴射口（発射口）、
８８０…加熱部ベース、１１００…ヘッドベース、１２００…構成材料供給装置、
１２１０…構成材料供給ユニット、１２１０ａ…構成材料収容部、
１２２０…供給チューブ、１２３０…構成材料吐出部（材料層形成部）、
１２３０ａ…吐出ノズル、１２３０ｂ…吐出駆動部、１４００…ヘッドユニット、
１４００ａ…保持治具、
１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４…ヘッドユニット、
１５００…材料供給コントローラー、１６００…ヘッドベース、
１７００…支持層形成用材料供給装置、１７１０…支持層形成用材料供給ユニット、
１７１０ａ…支持層形成用材料収容部、１７２０…供給チューブ、
１７３０…支持層形成用材料吐出部、１７３０ａ…吐出ノズル、
１７３０ｂ…吐出駆動部、１９００…ヘッドユニット、１９００ａ…保持治具、
２０００…形成装置（三次元造形物の製造装置）、３０００…ガルバノミラー、
３１００…レーザー照射部、Ｆ…炎、Ｈ１…レーザー照射部８１０による加熱領域、
Ｈ２…加熱領域Ｈ１の周辺領域、Ｌ…レーザー、Ｍ…材料（構成材料）、
Ｏ…三次元造形物の完成体、Ｒ１…炎Ｆの噴射領域、Ｒ２…炎Ｆの噴射領域
【図１】
2017087612.tif 000003
【図２】
2017087612.tif 000004
【図３】
2017087612.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017087612.tif 000009
【図８】
2017087612.tif 000010
【図９】
2017087612.tif 000011
【図１０】
2017087612.tif 000012
【図１１】
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