(57)【要約】【課題】３Ｄプリンタを用いて、強度を向上させた立体物を製造する方法を提供する。【解決手段】最大強度方向設定工程（Ｓ１０１）により、製造される立体物Ｓにおける圧縮強度が最大となる最大強度方向Ｄが設定される。軸方向選択行程（Ｓ１０２）で、最も小さいピッチを有するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれかの軸方向が選択される。第１結合材供給行程（Ｓ１０４）及び第２結合材供給行程（Ｓ１０６）では、軸方向選択工程（Ｓ１０２）で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程（Ｓ１０１）で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１により、粉末材料ＰＭに結合材Ｂを供給することにより、粉末材料ＰＭが固化させられる。最大強度方向Ｄと最も小さいピッチを有する軸方向とが一致するため、３Ｄプリンタ１０を用いて、強度を向上させた立体物Ｓを製造することができる。【選択図】図２
2017154500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な第１平面に沿って配置された粉末材料に対し、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の任意の位置に結合材を供給することにより前記粉末材料を固化させ、
固化させられた前記粉末材料に重ねて、前記第１平面から前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向に沿って離隔し且つ前記第１平面に平行な第２平面に沿って追加の粉末材料を配置し、
前記第２平面に沿って配置された前記追加の粉末材料に対し、前記３Ｄプリンタの前記プリンタヘッドにより、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の任意の位置に結合材を供給することにより前記追加の粉末材料を固化させて立体物を製造する方法であって、
製造される前記立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向を設定する最大強度方向設定工程と、
前記Ｘ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｘ軸方向位置及び第２Ｘ軸方向位置のそれぞれに前記プリンタヘッドが前記結合材を供給可能な前記第１Ｘ軸方向位置と前記第２Ｘ軸方向位置との最小距離である前記Ｘ軸方向のピッチ、前記Ｙ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｙ軸方向位置及び第２Ｙ軸方向位置のそれぞれに前記プリンタヘッドが前記結合材を供給可能な前記第１Ｙ軸方向位置と前記第２Ｙ軸方向位置との最小距離である前記Ｙ軸方向のピッチ、及び、前記Ｚ軸方向に沿って互いに離隔した前記第１平面と前記第２平面との距離である前記Ｚ軸方向のピッチのいずれかの中で、最も小さいピッチを有する軸方向を選択する軸方向選択工程と、
前記第１平面に沿って前記粉末材料を配置する第１材料配置工程と、
前記プリンタヘッドにより、前記第１材料配置工程で前記第１平面に沿って配置された前記粉末材料に前記結合材を供給することにより、前記第１平面に沿って配置された前記粉末材料を固化させる第１結合材供給工程と、
前記第１結合材供給工程により固化させられた前記粉末材料に重ねて、前記第２平面に沿って前記追加の粉末材料を配置する第２材料配置工程と、
前記プリンタヘッドにより、前記第２材料配置工程で前記第２平面に沿って配置された前記追加の粉末材料に前記結合材を供給することにより、前記第２平面に沿って配置された前記追加の粉末材料を固化させる第２結合材供給工程と、を含み、
前記軸方向選択工程で選択された軸方向と、前記最大強度方向設定工程で設定された前記最大強度方向とが一致して前記立体物が製造されるように、前記第１結合材供給工程及び前記第２結合材供給工程を行う、
前記方法。
【請求項２】
３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な第１平面における前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の任意の位置に液体材料を供給して前記液体材料を固化させ、前記３Ｄプリンタの前記プリンタヘッドにより、固化させられた前記液体材料に重ねて、前記第１平面から前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向に沿って離隔し且つ前記第１平面に平行な第２平面における前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向の任意の位置に追加の液体材料を供給して前記追加の液体材料を固化させて立体物を製造する方法であって、
製造される前記立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向を設定する最大強度方向設定工程と、
前記Ｘ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｘ軸方向位置及び第２Ｘ軸方向位置のそれぞれから前記プリンタヘッドが前記液体材料を供給可能な前記第１Ｘ軸方向位置と前記第２Ｘ軸方向位置との最小距離である前記Ｘ軸方向のピッチ、前記Ｙ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｙ軸方向位置及び第２Ｙ軸方向位置のそれぞれから前記プリンタヘッドが前記液体材料を供給可能な前記第１Ｙ軸方向位置と前記第２Ｙ軸方向位置との最小距離である前記Ｙ軸方向のピッチ、及び、前記Ｚ軸方向に沿って互いに離隔した前記第１平面と前記第２平面との距離である前記Ｚ軸方向のピッチのいずれかの中で、最も小さいピッチを有する軸方向を選択する軸方向選択工程と、
前記プリンタヘッドにより、前記第１平面に前記液体材料を供給し、前記第１平面に供給された前記液体材料を固化させる第１液体材料供給工程と、
前記第１液体材料供給工程により固化させられた前記液体材料に重ねて、前記プリンタヘッドにより、前記第２平面に前記追加の液体材料を供給し、前記第２平面に供給された前記追加の液体材料を固化させる第２液体材料供給工程と、を含み、
前記軸方向選択工程で選択された軸方向と、前記最大強度方向設定工程で設定された前記最大強度方向とが一致して前記立体物が製造されるように、前記第１液体材料供給工程及び前記第２液体材料供給工程を行う、
前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体物を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体物を製造する技術として、３Ｄプリンタを用いた積層造形により立体物を製造する方法が知られている。積層造形とは、製造する立体物の３ＤＣＡＤ（3-dimensional computer-aided design）の３次元データに基づいて、当該立体物の材料を層状に重ねて製造する方法である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、平面に沿って配置された粉末材料に対し、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、任意の位置に結合材を供給することにより粉末材料を固化させる方法が開示されている。特許文献１の方法では、固化させられた粉末材料に重ねて粉末材料を配置し、配置された粉末材料に対し、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、任意の位置に結合材を供給することにより粉末材料を固化させる。特許文献１の方法では、粉末材料の供給、結合材の供給及び粉末材料の固化を繰り返すことにより立体物が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−６６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような技術で製造された立体物の強度を向上させるためには、結合材の量を増加させることや、より接着力のある結合材を用いることが考えられる。しかし、上記のような技術では、一般的に微小なノズルを複数有する３Ｄプリンタのプリンタヘッドから結合材を供給するため、結合材の粘度や濃度に制限がある。そのため、必ずしも、好適な量や組成の結合材を用いることができない場合がある。したがって、結合材の量や組成を選択する以外の方法により、３Ｄプリンタを用いて、強度を向上させた立体物を製造する方法が望まれている。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、３Ｄプリンタを用いて、強度を向上させた立体物を製造する方法を提供す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、互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な第１平面に沿って配置された粉末材料に対し、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に結合材を供給することにより粉末材料を固化させ、固化させられた粉末材料に重ねて、第１平面からＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に沿って離隔し且つ第１平面に平行な第２平面に沿って追加の粉末材料を配置し、第２平面に沿って配置された追加の粉末材料に対し、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に結合材を供給することにより追加の粉末材料を固化させて立体物を製造する方法であって、製造される立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向を設定する最大強度方向設定工程と、Ｘ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｘ軸方向位置及び第２Ｘ軸方向位置のそれぞれにプリンタヘッドが結合材を供給可能な第１Ｘ軸方向位置と第２Ｘ軸方向位置との最小距離であるＸ軸方向のピッチ、Ｙ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｙ軸方向位置及び第２Ｙ軸方向位置のそれぞれにプリンタヘッドが結合材を供給可能な第１Ｙ軸方向位置と第２Ｙ軸方向位置との最小距離であるＹ軸方向のピッチ、及び、Ｚ軸方向に沿って互いに離隔した第１平面と第２平面との距離であるＺ軸方向のピッチのいずれかの中で、最も小さいピッチを有する軸方向を選択する軸方向選択工程と、第１平面に沿って粉末材料を配置する第１材料配置工程と、プリンタヘッドにより、第１材料配置工程で第１平面に沿って配置された粉末材料に結合材を供給することにより、第１平面に沿って配置された粉末材料を固化させる第１結合材供給工程と、第１結合材供給工程により固化させられた粉末材料に重ねて、第２平面に沿って追加の粉末材料を配置する第２材料配置工程と、プリンタヘッドにより、第２材料配置工程で第２平面に沿って配置された追加の粉末材料に結合材を供給することにより、第２平面に沿って配置された追加の粉末材料を固化させる第２結合材供給工程とを含み、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向とが一致して立体物が製造されるように、第１結合材供給工程及び第２結合材供給工程を行う、方法である。
【０００８】
この構成によれば、最大強度方向設定工程により、製造される立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向が設定される。軸方向選択行程で、最も小さいピッチを有する軸方向が選択される。第１結合材供給行程及び第２結合材供給工程では、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向とが一致して立体物が製造されるように、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、粉末材料に結合材を供給することにより、粉末材料が固化させられる。これにより、最大強度方向と最も小さいピッチを有する軸方向とが一致するため、３Ｄプリンタを用いて、強度を向上させた立体物を製造することができる。
【０００９】
また、本発明は、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な第１平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に液体材料を供給して液体材料を固化させ、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、固化させられた液体材料に重ねて、第１平面からＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に沿って離隔し且つ第１平面に平行な第２平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に追加の液体材料を供給して追加の液体材料を固化させて立体物を製造する方法であって、製造される立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向を設定する最大強度方向設定工程と、Ｘ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｘ軸方向位置及び第２Ｘ軸方向位置のそれぞれからプリンタヘッドが液体材料を供給可能な第１Ｘ軸方向位置と第２Ｘ軸方向位置との最小距離であるＸ軸方向のピッチ、Ｙ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｙ軸方向位置及び第２Ｙ軸方向位置のそれぞれからプリンタヘッドが液体材料材を供給可能な第１Ｙ軸方向位置と第２Ｙ軸方向位置との最小距離であるＹ軸方向のピッチ、及び、Ｚ軸方向に沿って互いに離隔した第１平面と第２平面との距離であるＺ軸方向のピッチのいずれかの中で、最も小さいピッチを有する軸方向を選択する軸方向選択工程と、プリンタヘッドにより、第１平面に液体材料を供給し、第１平面に供給された液体材料を固化させる第１液体材料供給工程と、第１液体材料供給工程により固化させられた液体材料に重ねて、プリンタヘッドにより、第２平面に追加の液体材料を供給し、第２平面に供給された追加の液体材料を固化させる第２液体材料供給工程とを含み、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向とが一致して立体物が製造されるように、第１液体材料供給工程及び第２液体材料供給工程を行う、方法である。
【００１０】
この構成によれば、最大強度方向設定工程により、製造される立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向が設定される。軸方向選択行程で、最も小さいピッチを有する軸方向が選択される。第１液体材料供給行程及び第２液体材料供給工程では、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向とが一致して立体物が製造されるように、３Ｄプリンタのプリンタヘッドにより、液体材料を供給することにより、液体材料が固化させられる。これにより、最大強度方向と最も小さいピッチを有する軸方向とが一致するため、３Ｄプリンタを用いて、強度を向上させた立体物を製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の立体物を製造する方法によれば、３Ｄプリンタを用いて、強度を向上させた立体物を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態で使用される３Ｄプリンタを示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の立体物を製造する方法を示すフローチャートである。
【図３】最大強度方向設定工程で設定された立体物における最大強度方向の一例を示す斜視図である。
【図４】図１の３ＤプリンタのプリンタヘッドにおけるＸ軸方向のピッチ及びＹ軸方向のピッチを示す図である。
【図５】図１の３ＤプリンタにおけるＺ軸方向のピッチを示す図である。
【図６】Ｘ軸方向と最大強度方向とが一致するように製造された立体物、Ｙ軸方向と最大強度方向とが一致するように製造された立体物、及びＺ軸方向と最大強度方向とが一致するように製造された立体物を示す図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）及び（Ｇ）は、第１実施形態の立体物を製造する方法を示す図である。
【図８】第２実施形態で使用される３Ｄプリンタを示す斜視図である。
【図９】第２実施形態の立体物を製造する方法を示すフローチャートである。
【図１０】図８の３ＤプリンタにおけるＺ軸方向のピッチを示す図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）は、第２実施形態の立体物を製造する方法を示す図である。
【図１２】実施例１において、Ｘ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の造形誤差、Ｙ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の造形誤差、及びＺ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の造形誤差を示すグラフである。
【図１３】実施例１において、Ｘ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の圧縮強度及び密度、Ｙ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の圧縮強度及び密度、及びＺ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の圧縮強度及び密度を示すグラフである。
【図１４】実施例１において、Ｘ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の応力及び歪み、Ｙ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の応力及び歪み、及びＺ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の応力及び歪みを示すグラフである。
【図１５】実施例２において、Ｘ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の圧縮強度及び密度、Ｙ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の圧縮強度及び密度、及びＺ軸方向と力が加えられる方向とが一致するように製造された立体物の圧縮強度及び密度を示すグラフである。
【図１６】実施例１及び実施例２における粉末材料、結合材、立体物、圧縮強度及び最大応力をまとめた表である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る立体物を製造する方法について詳細に説明する。
【００１４】
［第１実施形態］
まず、本実施形態で用いられる３Ｄプリンタについて説明する。図１に示される３Ｄプリンタ１０は、結合材噴射法（バインダジェット法、Binder Jetting）により、立体物を製造する。図１及び以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、３次元空間の直交座標系における互いに直交する軸方向である。３Ｄプリンタ１０は、プリンタヘッド１１、ガイドレール１２、ステージ１３、粉末材料供給基盤１４及びリコータ１５を備えている。プリンタヘッド１１は、ステージ１３側に供給された粉末材料ＰＭを固化させるための結合材を供給する。ガイドレール１２は、プリンタヘッド１１を支持し、ステージ１３上のＸ軸方向及びＹ軸方向の平面においてプリンタヘッド１１を移動させる。
【００１５】
ステージ１３は、立体物を製造するために、粉末材料供給基盤１４からリコータ１５により供給された粉末材料ＰＭを支持する。粉末材料供給基盤１４は、ステージ１３上に供給される粉末材料ＰＭを支持する。リコータ１５は、粉末材料供給基盤１４上で支持された粉末材料ＰＭをステージ１３に供給する。
【００１６】
互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行なステージ１３上の平面に沿って配置された粉末材料ＰＭに対し、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に結合材を供給することにより、３Ｄプリンタ１０は粉末材料ＰＭを固化させる。
【００１７】
次に、３Ｄプリンタ１０のステージ１３が任意のピッチだけＺ軸方向に沿って下降させられ、固化させられた粉末材料ＰＭに重ねて、粉末材料供給基盤１４からリコータ１５により、固化させられた粉末材料ＰＭの表面からＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に沿って離隔し且つ固化させられた粉末材料ＰＭの表面に平行な次の平面に沿って、３Ｄプリンタ１０は追加の粉末材料ＰＭを配置する。
【００１８】
平面に沿って配置された粉末材料ＰＭに対し、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に結合材を供給することにより、３Ｄプリンタ１０は粉末材料ＰＭを固化させる。以上のように、ステージ１３上において、粉末材料ＰＭの供給、結合材の供給及び粉末材料の固化を繰り返すことにより、３Ｄプリンタ１０は立体物を製造する。
【００１９】
粉末材料ＰＭとしては、例えば、石膏を適用することができる。粉末材料ＰＭが石膏の場合は、結合材としては、例えば、水を適用することができる。また、粉末材料ＰＭとしては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を適用することができる。粉末材料ＰＭが酸化アルミニウムの場合は、結合材としては、ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol, PVA)、ポリアリルアミン（polyallylamine, PAA）、ポリジアリルアミン（poly-di-allylamin, PAS）及びデキストラン(dextran)等と、エタノール又は水等の溶媒とから構成される液を適用することができる。
【００２０】
以下、本実施形態の立体物を製造する方法について説明する。図２に示すように、最大強度方向設定工程では、製造される立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向が設定される（Ｓ１０１）。図３に示すように、例えば、細長い円柱状の立体物Ｓが製造される場合には、円柱の底面に垂直であり、側面に平行な最大強度方向Ｄを設定することができる。
【００２１】
図２に示すように、軸方向選択工程では、３Ｄプリンタ１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のピッチのいずれかの中で、最も小さいピッチを有する軸方向が選択される（Ｓ１０２）。
【００２２】
図４に示すように、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１のステージ１３に対向する面には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って複数のノズル１１ｎが配列されている。Ｘ軸方向のピッチｐｘとは、Ｘ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｘ軸方向位置ｘ１及び第２Ｘ軸方向位置ｘ２のそれぞれにプリンタヘッド１１が結合材を供給可能な第１Ｘ軸方向位置ｘ１と第２Ｘ軸方向位置ｘ２との最小距離であり、プリンタヘッド１１のＸ軸方向に沿って互いに隣接するノズル１１ｎの間の距離である。
【００２３】
Ｙ軸方向のピッチｐｙとは、Ｙ軸方向に沿って互いに離隔した第１Ｙ軸方向位置ｙ１及び第２Ｙ軸方向位置ｙ２のそれぞれにプリンタヘッド１１が結合材を供給可能な第１Ｙ軸方向位置ｙ１と第２Ｙ軸方向位置ｙ２との最小距離であり、プリンタヘッド１１のｙ軸方向に沿って互いに隣接するノズル１１ｎの間の距離である。Ｘ軸方向のピッチｐｘ及びＹ軸方向のピッチｐｙは、プリンタヘッド１１のノズル１１ｎの配列によって決定される。
【００２４】
図５に示すように、ステージ１３上の平面に沿って配置された粉末材料ＰＭが結合材を供給されて固化させられた後に、ステージ１３はＺ軸方向に沿って任意のピッチｐｚだけ下降させられる。固化させられた粉末材料ＰＭに重ねて、粉末材料供給基盤１４からリコータ１５により、固化させられた粉末材料ＰＭの表面からＺ軸方向に沿って離隔し且つ固化させられた粉末材料ＰＭの表面に平行な次の平面に沿って、追加の粉末材料ＰＭが配置される。次の平面に沿って配置された追加の粉末材料ＰＭにプリンタヘッド１１から結合材が供給され、追加の粉末材料ＰＭが固化させられる。このように、Ｚ軸方向のピッチｐｚとは、３Ｄプリンタ１０が粉末材料ＰＭを配置し且つ固化させるためのＺ軸方向に沿って互いに隣接しつつ離隔した２つの平面の間の距離である。Ｚ軸方向のピッチｐｚは、３Ｄプリンタ１０のステージ１３の動作の精度、３Ｄプリンタ１０のステージ１３の動作の設定、粉末材料ＰＭの粒径、及び結合材の材質によって決定される。
【００２５】
図６に示すように、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致するように製造される円柱状の立体物Ｓｘは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に平行な平面において、Ｘ軸方向に同じ長さの辺を有し、Ｙ軸方向に異なる長さの辺を有する長方形の層が、Ｚ軸方向に積層されることにより製造される。Ｙ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致するように製造される円柱状の立体物Ｓｙは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に平行な平面において、Ｘ軸方向に異なる長さの辺を有し、Ｙ軸方向に同じ長さの辺を有する長方形の層が、Ｚ軸方向に積層されることにより製造される。Ｙ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致するように製造される円柱状の立体物Ｓｚは、Ｘ軸方向とＹ軸方向に平行な平面において、同じ直径を有する円形の層が、Ｚ軸方向に積層されることにより製造される。
【００２６】
以下の例では、３Ｄプリンタ１０において、Ｘ軸方向のピッチｐｘ、Ｙ軸方向のピッチｐｙ及びＺ軸方向のピッチｐｚのいずれかの中で、Ｘ軸方向のピッチｐｘが最も小さく、軸方向選択工程でＸ軸方向が選択されたと仮定し、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致するように円柱状の立体物Ｓｘを製造する場合を想定する。
【００２７】
図２に示すように、第１材料配置工程では、互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な第１平面に沿って粉末材料ＰＭが配置される（Ｓ１０３）。図７（Ａ）に示すように、粉末材料供給基盤１４上には粉末材料ＰＭが積載されている。図７（Ｂ）に示すように、リコータ１５が粉末材料供給基盤１４上の粉末材料ＰＭをステージ１３の側に押し出すことにより、ステージ１３上において、互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な第１平面Ｐ１に沿って一層分の粉末材料ＰＭが配置される。
【００２８】
図２及び図７（Ｃ）に示すように、第１結合材供給工程では、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、プリンタヘッド１１により、第１材料配置工程で第１平面Ｐ１に沿って配置された粉末材料ＰＭのＸ軸方向及び前記Ｙ軸方向の任意の位置に結合材Ｂを供給することにより、第１平面Ｐ１に沿って配置された粉末材料ＰＭが固化させられる（Ｓ１０４）。この例では、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致して円柱状の立体物Ｓｘが製造されるように、粉末材料ＰＭに結合材Ｂが供給される。
【００２９】
図２に示すように、第２材料配置工程では、第１結合材供給工程により固化させられた粉末材料ＰＭに重ねて、第１平面Ｐ１からＸ軸方向及び前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向に沿ってＺ軸方向のピッチｐｚだけ離隔し且つ第１平面Ｐ１に平行な第２平面に沿って追加の粉末材料ＰＭが配置される（Ｓ１０５）。図７（Ｄ）に示すように、ステージ１３がピッチｐｚだけＺ軸方向に沿って下降させられる。図７（Ｅ）に示すように、リコータ１５が粉末材料供給基盤１４上の粉末材料ＰＭをステージ１３の側に押し出すことにより、ステージ１３上において、第１平面Ｐ１からＸ軸方向及び前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向に沿ってＺ軸方向のピッチｐｚだけ離隔し且つ第１平面Ｐ１に平行な第２平面Ｐに沿って一層分の追加の粉末材料ＰＭが配置される。
【００３０】
図２及び図７（Ｆ）に示すように、第２結合材供給工程では、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、プリンタヘッド１１により、第２材料配置工程で第２平面Ｐ２に沿って配置された追加の粉末材料ＰＭに結合材Ｂを供給することにより、第２平面Ｐ２に沿って配置された追加の粉末材料ＰＭが固化させられる（Ｓ１０６）。この例では、上述したように、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致して円柱状の立体物Ｓｘが製造されるように、粉末材料ＰＭに結合材Ｂが供給される。
【００３１】
図２に示すように、３Ｄプリンタ１０により、変数ｋとして３＝ｋが設定される（Ｓ１０７）。３Ｄプリンタ１０により、立体物Ｓｘを製造するために粉末材料ＰＭを固化させた層を積層する回数ｎよりも、変数ｋが大きいか否かが判定される（Ｓ１０８）。上述した第２材料配置工程と同様の第ｋ材料配置工程と（Ｓ１０９）、上述した第２結合材供給工程と同様の第ｋ結合材供給工程とが行われる（Ｓ１１０）。第ｋ結合材供給工程が終了すると、変数ｋに１が加算され（Ｓ１１１）、再度、回数ｎよりも、変数ｋが大きいか否かが判定される（Ｓ１０８）。変数ｋが回数ｎを超えるまで、上述した第２材料配置工程と同様の第ｋ材料配置工程と、上述した第２結合材供給工程と同様の第ｋ結合材供給工程とが繰り返される（Ｓ１０８，Ｓ１０９，Ｓ１１０，Ｓ１１１）。図２及び図７（Ｇ）に示すように、第ｎ材料配置工程と第ｎ結合材供給工程が行われ、変数ｋが回数ｎを超えると、３Ｄプリンタ１０は処理を終了し、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致した円柱状の立体物Ｓｘが製造される（Ｓ１０８）。
【００３２】
結合材噴射法において、粉末材料ＰＭに酸化アルミニウム等の無機材料を適用する場合には、無機材料の焼結に高温が必要である。このため、無機粉末の粉末材料ＰＭを結合材Ｂで所望の形状に固めたグリーン体とし、グリーン体を改めて電気炉等で焼結させる手法が多く用いられている。３Ｄプリンタ１０は、無機粉末の粉末材料ＰＭを結合材Ｂで固めたグリーン体を製造するために使用される。この場合、グリーン体を３Ｄプリンタ１０から取りだし、焼結のために焼結炉に配置する必要があるが、一般的にグリーン体は焼結体よりも強度が低く、その取扱いには注意が必要である。そのため、３Ｄプリンタ１０により製造された立体物Ｓのグリーン体の強度は高いことが求められる。
【００３３】
なお、粉末材料ＰＭに無機材料を適用する場合において、粉末材料ＰＭに石膏を適用する場合には、結合材Ｂは水であり、石膏の水硬性によって粉末材料ＰＭは固化するため、焼成の必要はない。しかし、固化後の石膏の強度は必ずしも十分ではなく、この場合も製造される立体物の強度が高い方が望ましい。
【００３４】
そこで、本実施形態では、結合材噴射法において、３Ｄプリンタ１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の異方性を考慮しつつ、立体物Ｓを製造する。３Ｄプリンタ１０により製造された立体物Ｓは、固化させられた粉末材料ＰＭの層がＺ軸方向に積み重なった構造になっている。そのため、３Ｄプリンタ１０により製造された立体物Ｓは、Ｚ軸方向において最も強い圧縮強度を有することが予想される。Ｘ軸方向及びＹ軸方向に力が加えられた場合には、固化させられた粉末材料ＰＭの層が積層された面に沿って力が加えられるため、そこから、亀裂又は破砕が発生することが予想される。
【００３５】
しかしながら、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１のノズル１１ｎの配置は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に必ずしも等方的ではない。これはノズル１１ｎの物理的なサイズの制限や、３Ｄプリンタ１０の設計等によるものである。このため、Ｘ軸方向のピッチｐｘとＹ軸方向のピッチｐｙとが異なることがある。また、Ｚ軸方向においても、積層される粉末材料の厚み等により、Ｚ軸方向のピッチｐｚと、Ｘ軸方向のピッチｐｘ又はＹ軸方向のピッチｐｙとが異なることがある。
【００３６】
３Ｄプリンタ１０においては、緻密且つ高強度の立体物を製造するため、結合材Ｂはノズル１１ｎから滴下された位置だけではなく、その周辺まで浸み込み、隣接したノズル１１ｎのすき間の部分も固化するように設計されている。例えば、プリンタヘッド１１の全てのノズル１１ｎから結合材Ｂを滴下した場合、結合材Ｂの浸み込みにより全ての粉末材料ＰＭが均一に固化するように設計されている。しかしながら、そのような条件においても、ピッチｐｘ，ｐｙ，ｐｚに起因するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の異方性が、立体物の強度に影響することを発明者は見出し、本実施形態の方法を提案した。
【００３７】
発明者は、立体物Ｓのハンドリング時に破壊、破損の原因となることが多い圧縮破壊を減らすため、軸方向の異方性との相関を調査した。その結果、固化した層が積層するＺ軸方向が圧縮に強いという予想を覆し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれかの中で、ピッチｐｘ，ｐｙ，ｐｚが最も小さい軸方向が、圧縮強度が高いという結果を得て本実施形態の方法に至った。
【００３８】
本実施形態によれば、最大強度方向設定工程（Ｓ１０１）により、製造される立体物Ｓにおける圧縮強度が最大となる最大強度方向Ｄが設定される。軸方向選択行程（Ｓ１０２）で、最も小さいピッチを有するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれかの軸方向が選択される。第１結合材供給行程（Ｓ１０４）及び第２結合材供給行程（Ｓ１０６）では、軸方向選択工程（Ｓ１０２）で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程（Ｓ１０１）で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１により、粉末材料ＰＭに結合材Ｂを供給することにより、粉末材料ＰＭが固化させられる。これにより、最大強度方向Ｄと最も小さいピッチを有する軸方向とが一致するため、３Ｄプリンタ１０を用いて、強度を向上させた立体物Ｓを製造することができる。
【００３９】
［第２実施形態］
まず、本実施形態で用いられる３Ｄプリンタについて説明する。図８に示される３Ｄプリンタ２０は、材料噴射法（インクジェット法、マテリアルジェット法、material jetting）により、立体物を製造する。図８及び以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、３次元空間の直交座標系における互いに直交する軸方向である。３Ｄプリンタ２０は、プリンタヘッド２１、ガイドレール２２及びステージ２３を備えている。プリンタヘッド２１は、ステージ２３側に液体材料を供給する。プリンタヘッド２１は、ステージ２３側に供給された液体材料を固化させるための紫外線、レーザ等を照射するための光源を備えていてもよい。ガイドレール２２は、プリンタヘッド２１を支持し、ステージ２３上のＸ軸方向及びＹ軸方向の平面においてプリンタヘッド２１を移動させる。ステージ２３は、立体物Ｓを製造するために、プリンタヘッド２１から供給され、固化した液体材料を支持する。
【００４０】
３Ｄプリンタ２０のプリンタヘッド２１により、互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に平行なステージ２３上の平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に液体材料を供給することにより、３Ｄプリンタ２０は液体材料を固化させる。プリンタヘッド２１は、ステージ２３上に液体材料を供給しつつ、紫外線、レーザ等を照射して、液体材料を固化させてもよい。
【００４１】
次に、３Ｄプリンタ２０のステージ２３が任意のピッチだけＺ軸方向に沿って下降させられ、３Ｄプリンタ２０のプリンタヘッド２１により、固化させられた液体材料に重ねて、固化させられた液体材料Ｌの表面からＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に沿って離隔し且つ固化させられた液体材料Ｌの表面に平行な次の平面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に追加の液体材料を供給することにより、３Ｄプリンタ２０は追加の液体材料を固化させる。以上のように、ステージ２３上において、液体材料の供給及び液体材料の固化を繰り返すことにより、３Ｄプリンタ２０は立体物を製造する。
【００４２】
液体材料としては、例えば、プリンタヘッド２１からステージ２３側に供給されてから短時間で硬化する樹脂等を適用することができる。また、液体材料としては、例えば、紫外線やレーザ等により硬化する光硬化性樹脂を適用することができる。
【００４３】
以下、本実施形態の立体物を製造する方法について説明する。図９に示すように、最大強度方向設定工程では、上記第１実施形態の最大強度方向設定工程と同様に、製造される立体物における圧縮強度が最大となる最大強度方向が設定される（Ｓ２０１）。軸方向選択工程では、上記第１実施形態の軸方向選択工程と同様に、３Ｄプリンタ２０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のピッチのいずれかの中で、最も小さいピッチを有する軸方向が選択される（Ｓ２０２）。
【００４４】
３Ｄプリンタ２０において、Ｘ軸方向のピッチｐｘ及びＹ軸方向のピッチｐｙは、上記第１実施形態の３Ｄプリンタ１０と同様である。したがって、Ｘ軸方向のピッチｐｘ及びＹ軸方向のピッチｐｙは、プリンタヘッド２１のノズルの配列によって決定される。
【００４５】
図１０に示すように、ステージ２３上の平面に沿って液体材料が供給されて固化させられた後に、ステージ２３はＺ軸方向に沿って任意のピッチｐｚだけ下降させられる。固化させられた液体材料に重ねて、次の平面に沿ってプリンタヘッド２１から追加の液体材料が供給され、追加の液体材料が固化させられる。このように、Ｚ軸方向のピッチｐｚとは、３Ｄプリンタ２０が液体材料を供給し且つ固化させるためのＺ軸方向に沿って互いに隣接しつつ離隔した２つの平面の間の距離である。Ｚ軸方向のピッチｐｚは、３Ｄプリンタ２０のステージ２３の動作の精度、３Ｄプリンタ２０のステージ２３の動作の設定、液体材料の材質によって決定される。
【００４６】
以下の例では、３Ｄプリンタ２０において、Ｘ軸方向のピッチｐｘ、Ｙ軸方向のピッチｐｙ及びＺ軸方向のピッチｐｚのいずれかの中で、Ｘ軸方向のピッチｐｘが最も小さく、軸方向選択工程でＸ軸方向が選択されたと仮定し、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致するように円柱状の立体物Ｓｘを製造する場合を想定する。
【００４７】
図９及び図１１（Ａ）に示すように、第１液体材料供給工程では、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、プリンタヘッド２１により、第１平面Ｐ１のＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に液体材料Ｌを供給することにより、第１平面Ｐ１に供給された液体材料Ｌが固化させられる（Ｓ１０３）。この例では、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致して円柱状の立体物Ｓｘが製造されるように、液体材料Ｌが供給される。
【００４８】
図１１（Ｂ）に示すように、ステージ２３がピッチｐｚだけＺ軸方向に沿って下降させられる。図９及び図１１（Ｃ）に示すように、第２液体材料供給工程では、軸方向選択工程で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、第１液体材料供給工程により固化させられた液体材料Ｌに重ねて、プリンタヘッド２１により、第２平面Ｐ２に追加の液体材料Ｌを供給することにより、第２平面Ｐ２に供給された追加の液体材料Ｌが固化させられる（Ｓ２０４）。この例では、上述したように、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致して円柱状の立体物Ｓｘが製造されるように、液体材料Ｌが供給される。
【００４９】
図９に示すように、３Ｄプリンタ２０により、変数ｋとして３＝ｋが設定される（Ｓ２０５）。３Ｄプリンタ２０により、立体物Ｓｘを製造するために液体材料Ｌを固化させた層を積層する回数ｎよりも、変数ｋが大きいか否かが判定される（Ｓ２０６）。上述した第２液体材料供給工程と同様の第ｋ液体材料供給が行われる（Ｓ２０７）。第ｋ液体材料供給工程が終了すると、変数ｋに１が加算され（Ｓ２０８）、再度、回数ｎよりも、変数ｋが大きいか否かが判定される（Ｓ２０６）。変数ｋが回数ｎを超えるまで、上述した第２液体材料供給工程と同様の第ｋ液体材料供給工程が繰り返される（Ｓ２０６，Ｓ２０７，Ｓ２０８）。図９及び図１１（Ｄ）に示すように、第ｎ液体材料供給工程が行われ、変数ｋが回数ｎを超えると、３Ｄプリンタ２０は処理を終了し、Ｘ軸方向と最大強度方向Ｄとが一致した円柱状の立体物Ｓｘが製造される（Ｓ２０６）。
【００５０】
本実施形態によれば、最大強度方向設定工程（Ｓ２０１）により、製造される立体物Ｓにおける圧縮強度が最大となる最大強度方向Ｄが設定される。軸方向選択行程（Ｓ２０２）で、最も小さいピッチを有するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれかの軸方向が選択される。第１液体材料供給行程（Ｓ２０３）及び第２液体材料供給行程（Ｓ２０４）では、軸方向選択工程（Ｓ２０２）で選択された軸方向と、最大強度方向設定工程（Ｓ２０１）で設定された最大強度方向Ｄとが一致して立体物Ｓが製造されるように、３Ｄプリンタ２０のプリンタヘッド２１により、液体材料Ｌを供給することにより、液体材料Ｌが固化させられる。これにより、最大強度方向Ｄと最も小さいピッチを有する軸方向とが一致するため、３Ｄプリンタ２０を用いて、強度を向上させた立体物を製造することができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。例えば、上述した粉末材料ＰＭ、結合材Ｂ及び液体材料Ｌは、適宜、変更されてもよい。
【００５２】
以下、本発明を実験例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。
【００５３】
（実施例１）
図１に示すような３Ｄプリンタ１０を用いて、３ＤプリンタのＸ軸方向のピッチｐｘは５６．４［μｍ］であり、Ｙ軸方向のピッチｐｙは８４．７［μｍ］であり、Ｚ軸方向のピッチｐｚは１００［μｍ］である。図１６に示すように、粉末材料ＰＭは石膏であり、結合材Ｂは水である。製造される立体物Ｓは、底面の直径が５［ｍｍ］であり、高さが１０［ｍｍ］の円柱状である。
【００５４】
図６に示すように、Ｘ軸方向と立体物Ｓの円柱形状の底面に垂直な方向とが一致するように製造された立体物Ｓｘ、Ｙ軸方向と立体物Ｓの円柱形状の底面に垂直な方向とが一致するように製造された立体物Ｓｙ、及びＺ軸方向と立体物Ｓの円柱形状の底面に垂直な方向とが一致するように製造された立体物Ｓｚが製造された。
【００５５】
なお、３Ｄプリンタ１０のプリンタヘッド１１は、Ｘ軸方向の１回の走査でＹ軸方向に５０［ｍｍ］程度に亘って成形できるため、Ｙ軸方向に分割することなく、１回の走査でＹ軸方向にも必要な寸法の成形が可能であった。立体物Ｓｘ及び立体物Ｓｙの製造においては、Ｚ軸方向に５０回の積層が行われた。立体物Ｓｚの製造においては、Ｚ軸方向に１００回の積層が行われた。
【００５６】
製造された立体物Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚについて造形誤差が測定された。図１２に示すように、立体物Ｓｘ及び立体物Ｓｚについては、造形誤差が＋０．０８［ｍｍ］程度であった。立体物Ｓｙについては、造形誤差が−０．２３［ｍｍ］程度であった。製造された立体物Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚについて密度が測定された。図１３に菱形プロットで示すように、立体物Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの密度については、互いにほとんど差異がなかった。
【００５７】
製造された立体物Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚについて、円柱形状の底面に垂直な方向に力を加えることにより、圧縮破壊試験が行われた。図１３に棒グラフで示し、図１６に表で示すように、立体物ＳｘのＸ軸方向の圧縮強度は８［ＭＰａ］であり、立体物ＳｙのＹ軸方向の圧縮強度は６［ＭＰａ］であり、立体物ＳｚのＺ軸方向の圧縮強度は６［ＭＰａ］であった。圧縮破壊試験の結果において、立体物Ｓｘは、円柱形状のいずれかの底面付近が圧壊した。立体物Ｓｙ，Ｓｚは、円柱形状の底面に垂直な方向に沿った亀裂が底面まで進展して破壊した。
【００５８】
図１４及び図１６に示すように、圧縮破壊試験において、立体物Ｓｘの最大応力は７．６４６［ＭＰａ］であり、立体物Ｓｙの最大応力は５．６４５［ＭＰａ］であり、立体物Ｓｚの最大応力は５．９８３［ＭＰａ］であった。
【００５９】
立体物ＳｘはＸ軸方向に平行な層が積層して製造され、立体物ＳｙはＹ軸方向に平行な層が積層して製造される。一方、立体物ＳｚはＺ軸方向に垂直な層が積層して製造される。このため、立体物Ｓｚは、圧縮による破壊の起点が生じ難く、最も高強度になると予想された。しかし、実際は、立体物Ｓｘの圧縮強度が最も大きかった。これは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれかの中で、最もピッチの小さい軸方向が最も圧縮強度が強くなることを示している。
【００６０】
（実施例２）
実施例１の方法において、粉末材料ＰＭをアルミナ粉末とし、結合材Ｂをポリジアリルアミンとして、立体物Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚを製造した。製造された立体物Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、底面の直径が５［ｍｍ］であり、高さが１０［ｍｍ］の円柱状である。図１５及び図１６に示すように、立体物ＳｘのＸ軸方向の圧縮強度は４．４［ｋＰａ］であり、立体物ＳｙのＹ軸方向の圧縮強度は４．２［ｋＰａ］であり、立体物ＳｚのＺ軸方向の圧縮強度は４．０［ＭＰａ］であった。また、図１６に示すように、立体物Ｓｘの最大応力は４．８８６［ｋＰａ］であり、立体物Ｓｙの最大応力は４．１８８［ｋＰａ］であり、立体物Ｓｚの最大応力は４．４３９［ｋＰａ］であった。
【符号の説明】
【００６１】
１０…３Ｄプリンタ、１１…プリンタヘッド、１１ｎ…ノズル、１２…ガイドレール、１３…ステージ、１４…粉末材料供給基盤、１５…リコータ、２０…３Ｄプリンタ、２１…プリンタヘッド、２２…ガイドレール、２３…ステージ、ＰＭ…粉末材料、Ｓ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ…立体物、Ｄ…最大強度方向、ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ…ピッチ、ｘ１…第１Ｘ軸方向位置、ｘ２…第２Ｘ軸方向位置、ｙ１…第１Ｙ軸方向位置、ｙ２…第２Ｙ軸方向位置、Ｐ１…第１平面、Ｐ２…第２平面、Ｂ…結合材、Ｌ…液体材料。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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