(57)【要約】【課題】高精度な三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の三次元造形物５００の製造方法は、第一の粉末と第一の溶媒とバインダーとを含む第一の材料及び、第二の粉末と第二の溶媒とバインダーとを含む第二の材料を吐出手段から吐出して飛翔中に一体化させ、一体化させた第一の材料と第二の材料とにより三次元造形物５００の輪郭に相当する輪郭層３２０を形成する輪郭層形成工程と、吐出手段から第一の材料を輪郭層３２０の前記第一の粉末側に吐出して、構成層３１０を形成する構成層形成工程と、吐出手段から第二の材料を輪郭層３２０の第二の粉末側に吐出して、支持層３００を形成する支持層形成工程と、第一の粉末と第二の粉末とにエネルギーを付与し固化させる固化工程と、を有する。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層を形成し、積層することによって三次元造形物を製造する製造方法であって、
第一の粉末と第一の溶媒とバインダーとを含む第一の材料及び第二の粉末と第二の溶媒とバインダーとを含む第二の材料を吐出手段から吐出して飛翔中に一体化させ、一体化させた前記第一の材料と前記第二の材料とにより前記三次元造形物の輪郭に相当する輪郭層を形成する輪郭層形成工程と、
前記吐出手段から前記第一の材料を前記輪郭層の前記第一の粉末側に吐出して、構成層を形成する構成層形成工程と、
前記吐出手段から前記第二の材料を前記輪郭層の前記第二の粉末側に吐出して、支持層を形成する支持層形成工程と、
前記第一の粉末と前記第二の粉末とにエネルギーを付与し固化させる固化工程と、を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記第一の溶媒と前記第二の溶媒は、少なくとも一つの同一組成の溶媒を含み、
前記第一の材料及び前記第二の材料の粘度範囲はそれぞれ１０Ｐａ・ｓ以上２０Ｐａ・ｓ以下の範囲内であり、前記第一の材料と前記第二の材料の粘度範囲差が２Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記第一の粉末の焼結温度又は融点が、前記第二の粉末の焼結温度又は融点よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
前記第一の粉末は前記三次元造形物を構成する材料であって、アルミ、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼の少なくともいずれか１つの成分を含む粉末であり、
前記第二の粉末は前記三次元造形物を支持する材料であって、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコンの少なくともいずれか１つの成分を含む粉末であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記輪郭層形成工程は、前記飛翔方向を軸に前記吐出手段を回転させ、
前記第一の材料を、前記三次元造形物に相当する領域に位置するように吐出することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記固化工程は、前記層毎に行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
前記固化工程は、前記層形成工程が全て終了した後に行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の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。例えば、特許文献１には、支持体上に粉末材料からなる層を形成し、層の所定の領域に結合剤を吐出して粉末材料を結合させることによって造形物の断面形状を形成し、これらを繰り返すことにより三次元造形物を製造する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−００７５７２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、吐出された結合材料と滲み出し防止液の粉末材料の層内における浸透性が造形物の輪郭精度を左右していた。特定の位置に着弾した結合材料と滲み出し防止液は、粉末材料の層内で相互に影響しあいながら浸透し、浸透した際に形成される界面が造形物の輪郭となるため、着弾する際の時間差が発生してしまうと凹凸が発生し滑らかな表面の表現が困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、上記の課題を解決すべく、着弾する際の時間差をなくし高精度な輪郭形状を形成できる三次元造形物の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［適用例１］本適用例に係る三次元造形物の製造方法は、層を形成し、積層することによって三次元造形物を製造する製造方法であって、第一の粉末と第一の溶媒とバインダーとを含む第一の材料及び第二の粉末と第二の溶媒とバインダーとを含む第二の材料を吐出手段から吐出して飛翔中に一体化させ、一体化させた前記第一の材料と前記第二の材料とにより前記三次元造形物の輪郭に相当する輪郭層を形成する輪郭層形成工程と、前記吐出手段から前記第一の材料を前記輪郭層の前記第一の粉末側に吐出して、構成層を形成する構成層形成工程と、前記吐出手段から前記第二の材料を前記輪郭層の前記第二の粉末側に吐出して、支持層を形成する支持層形成工程と、前記第一の粉末と前記第二の粉末とにエネルギーを付与し固化させる固化工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、輪郭層形成工程において、第一の材料と第二の材料は飛翔中に一体化し、第一の材料と第二の材料の界面が着弾前に形成される。飛翔中に形成された界面は着弾後も維持されるため、ぬれ広がり速度及び、着弾する際の時間差による輪郭形成時の寸法誤差を排除することができ、高精度に造形物の輪郭を形成できる。その結果、高精度な三次元造形物を得ることができる。また、輪郭層形成工程と、構成層形成工程と、支持層形成工程と、固化工程と、を有し、あらかじめ輪郭層形成工程により輪郭層を先に形成し、輪郭層によって区切られた構成層の領域と支持層の領域にそれぞれ第一の材料と第二の材料を配置することができる。これによって、構成層及び支持層の形成時に吐出される材料による輪郭層へのぬれ広がりによる材料配置位置への干渉を防ぐことができるため、造形精度を向上することができる。さらに、輪郭層形成工程の直後に固化工程を実施することもできる。これによって先に形成した輪郭層を固定して、構成層形成工程及び支持層形成工程による輪郭位置の干渉を防ぐことにより、造形精度を向上することができる。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に記載の三次元造形物の製造方法において、前記第一の溶媒と前記第二の溶媒は、少なくとも一つの同一組成の溶媒を含み、前記第一の材料及び前記第二の材料の粘度範囲はそれぞれ１０Ｐａ・ｓ以上２０Ｐａ・ｓ以下の範囲内であり、前記第一の材料と前記第二の材料の粘度範囲差が２Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。
【０００９】
本適用例によれば、第一の溶媒と第二の溶媒とは少なくとも一つの同一組成の溶媒を含むため、界面での親和性を持ち、飛翔中に一体化することができる。また、材料の粘度範囲が１０Ｐａ・ｓ以上２０Ｐａ・ｓ以下であれば、第一の材料と第二の材料とが一体化してから固化工程までの時間に第一の粉末と第二の粉末とが分散して混じり合うことを防ぐことができる。そのため、固化工程の後に第二の材料を除去すると、固化された第一の材料による滑らかな輪郭表面を得ることができ、造形精度を高めることができる。また、粘度範囲差を２Ｐａ・ｓ以下にすることで、着弾した後に第一の材料の高さと第二の材料の高さの差を抑えることができる。そのため、層の厚み方向の寸法誤差を軽減でき、造形精度を向上することができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例に記載の三次元造形物の製造方法において、前記第一の粉末の焼結温度又は融点が、前記第二の粉末の焼結温度又は融点よりも低いことが好ましい。
【００１１】
本適用例によれば、第一の粉末の焼結温度又は融点が、第二の粉末の焼結温度又は融点よりも低く、その差を利用して、固化工程後容易に第一の材料と第二の材料とを分離することができる。これによって簡単に三次元造形物を得ることができる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例に記載の三次元造形物の製造方法において、前記第一の粉末は前記三次元造形物を構成する材料であって、アルミ、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼の少なくともいずれか１つの成分を含む粉末であり、前記第二の粉末は前記三次元造形物を支持する材料であって、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコンの少なくともいずれか１つの成分を含む粉末であることが好ましい。
【００１３】
本適用例によれば、三次元造形物を構成する材料である第一の粉末及び三次元造形物を支持する材料である第二の粉末の焼結温度又は融点の差により、固化工程において、第一の粉末のみを選択的に固化させ、第二の粉末を粉末状態もしくは除去容易な程度の焼結状態に留めておくことが容易であるため、三次元造形物の強度を確保しつつ、三次元造形物を取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などの負荷が大きくなるということを抑制できる。
【００１４】
［適用例５］上記適用例に記載の三次元造形物の製造方法において、前記輪郭層形成工程は、前記飛翔方向を軸に前記吐出手段を回転させ、前記第一の材料を、前記三次元造形物に相当する領域に位置するように吐出することが好ましい。
【００１５】
本適用例によれば、飛翔方向を軸に吐出手段を回転させることによって、第一の材料と第二の材料との界面を任意の方向に制御できるため、造形物の輪郭に沿った方向に第一の材料と第二の材料との界面を形成することができる。これによって、造形精度を高めることができる。
【００１６】
［適用例６］上記適用例に記載の三次元造形物の製造方法において、前記固化工程は、前記層毎に行うことが好ましい。
【００１７】
本適用例によれば、固化工程を層毎に行った場合には、エネルギー付与が層毎に調整でき固化を効率的に実行することが可能になる。
【００１８】
［適用例７］上記適用例に記載の三次元造形物の製造方法において、前記固化工程は、前記層形成工程が全て終了した後に行うことが好ましい。
【００１９】
本適用例によれば、全層の三次元造形物を固化対象として行った場合には、全体として三次元造形物の寸法の変化を和らげることができる。特に本態様は焼結による固化手段を採用した場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る三次元造形物の製造方法に用いる製造装置の構成を示す概略構成図。
【図２】図１に示すＣ部の拡大図。
【図３】本発明の実施形態に係る三次元造形物の製造方法のフローチャート。
【図４Ａ】構成材料と支持材料とを連続体状に吐出する方法を説明する図。
【図４Ｂ】構成材料と支持材料とを液滴状に吐出する方法を説明する図。
【図５Ａ】本発明の実施形態に係る吐出部の配置と、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５Ｂ】本発明の実施形態に係る吐出部の配置と、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５Ｃ】本発明の実施形態に係る吐出部の配置と、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６Ａ】図５Ａに示すＡ部の拡大図。
【図６Ｂ】図５Ａに示すＡ部の拡大図（吐出部回転後）。
【図７】吐出部から構成材料のみを吐出する方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。また、各図では、説明の便宜上、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を図示しており、以下の説明では、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」と言い、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」と言い、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」と言う。
【００２２】
＜三次元造形物の製造装置＞
先ず、本発明の実施形態に係る三次元造形物５００の製造方法に用いる製造装置２０００の構成について、図１を参照し説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る三次元造形物の製造方法に用いる製造装置の構成を示す概略構成図である。
本実施形態の三次元造形物５００の製造装置２０００は、材料を供給する吐出手段である吐出部１８３０と材料を固化するレーザー照射部３１００とを備えている。吐出部１８３０から供給されるのは、第一の材料としての構成材料と、第二の材料としての支持材料である。構成材料には、第一の粉末である三次元造形物５００を構成する粉末と、第一の溶媒と、バインダーと、が含まれる。また、支持材料には、第二の粉末である三次元造形物５００を支持する支持部を形成する粉末と、第二の溶媒と、バインダーと、が含まれる。
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。
【００２３】
図１に示す三次元造形物５００の製造装置２０００は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段によって、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と、吐出部１８３０及びステージ１２０を制御する制御ユニット４００と、吐出部１８３０に構成材料を供給する構成材料供給ユニット１２１０と、吐出部１８３０に支持材料を供給する支持材料供給ユニット１７１０と、を備えている。吐出部１８３０は、一方の端部が基台１１０に固定されたヘッドベース８４０のステージ１２０に向かい合う端部に保持されている。また、構成材料及び支持材料を焼結または溶融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。ただし、このような構成に限定されない。
【００２４】
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５０１，５０２，５０３が形成される。三次元造形物５００の形成には、レーザー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５００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１では、説明の便宜上、層５０１，５０２，５０３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１中の層５０ｎまで）積層される。ここで、層５０１，５０２，５０３，・・・，５０ｎは、各々、吐出部１８３０から吐出される、支持材料と構成材料により二種材料の境界面を形成する輪郭層３２０と、支持材料のみで形成される支持層３００と、構成材料のみで形成される構成層３１０と、で構成される。
【００２５】
次に、構成材料と支持材料とを吐出する吐出部１８３０について、図２を参照し説明する。
図２は、図１に示すＣ部の拡大図である。
吐出部１８３０は、図２に示すように、構成材料を吐出するための構成材料吐出ノズル１８３０ｃ及び構成材料吐出駆動部１８３０ｄと、支持材料を吐出するための支持材料吐出ノズル１８３０ａ及び支持材料吐出駆動部１８３０ｂと、を備えている。構成材料吐出駆動部１８３０ｄは、構成材料供給ユニット１２１０と供給チューブを介して接続されており、構成材料供給ユニット１２１０の構成材料を構成材料吐出ノズル１８３０ｃに供給し吐出する。支持材料吐出駆動部１８３０ｂは、支持材料供給ユニット１７１０と供給チューブを介して接続されており、支持材料供給ユニット１７１０の支持材料を支持材料吐出ノズル１８３０ａに供給し吐出する。
【００２６】
吐出部１８３０が備える構成材料吐出ノズル１８３０ｃの出口穴と、支持材料吐出ノズル１８３０ａの出口穴との間隔は１ｍｍ程度が好ましい。また、吐出部１８３０と試料プレート１２１の距離は５ｍｍ程度であり、構成材料吐出ノズル１８３０ｃと支持材料吐出ノズル１８３０ａそれぞれの中心軸のなす角θは１９度程度であることが好ましい。
【００２７】
構成材料吐出ノズル１８３０ｃと、支持材料吐出ノズル１８３０ａより、それぞれから構成材料と支持材料が同時に吐出されると、吐出部１８３０から３ｍｍ程度飛翔した位置で構成材料と支持材料は一体化する。一体化した構成材料と支持材料は互いにＸＹ軸方向の速度成分が相殺され、略Ｚ方向へ飛翔し試料プレート１２１へ着弾する。このとき構成材料と支持材料の吐出量はそれぞれ３ｎＬ程度であり、吐出速度はそれぞれ１０ｍ／ｓ程度であることが好ましい。このような吐出条件により、構成材料と支持材料が一体化する際の飛散を防ぐことができる。
【００２８】
吐出部１８３０は、構成材料を収容した構成材料供給ユニット１２１０及び支持材料を収容した支持材料供給ユニット１７１０に接続されている。そして、構成材料が構成材料供給ユニット１２１０から、吐出部１８３０に供給される。また、支持材料が支持材料供給ユニット１７１０から、吐出部１８３０に供給される。支持材料は構成材料より融点の高い材料を選択することで、三次元造形物５００を取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などの負荷が大きくなるということを抑制できる。
【００２９】
再び図１に戻り、制御ユニット４００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５００の造形用データに基づいて、ステージ１２０と吐出部１８３０とを制御している。そして、制御ユニット４００により、ステージ１２０及び吐出部１８３０が連携して駆動及び動作するように制御している。
【００３０】
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送られ、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動する。材料供給コントローラー１５００は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、支持材料吐出駆動部１８３０ｂにおける支持材料吐出ノズル１８３０ａからの支持材料吐出量などを制御する信号を生成し、その信号により支持材料吐出ノズル１８３０ａから所定量の支持材料が吐出される。また、材料供給コントローラー１５００は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、構成材料吐出駆動部１８３０ｄにおける構成材料吐出ノズル１８３０ｃからの構成材料吐出量などを制御する信号を生成し、その信号により構成材料吐出ノズル１８３０ｃから所定量の構成材料が吐出される。この支持材料と構成材料とを同時に吐出することにより、飛翔中に二つの材料を一体化させて境界を形成し、それが着弾して輪郭層３２０を形成することができる。
【００３１】
次に、構成材料及び支持材料の構成材料について説明する。
三次元造形物５００を構成する粉末である第一の紛末としては、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。
【００３２】
また、三次元造形物５００を支持する粉末である第二の粉末としては、例えばシリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物、窒化珪素、窒化チタン、窒化アルミ等の各種金属窒化物；炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭化物、硫化亜鉛等の各種金属硫化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩、リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化物等、石膏（硫酸カルシウムの各水和物、硫酸カルシウムの無水物）などの混合粉末を用いることが可能である。
【００３３】
このように、第一の紛末及び第二の粉末に特に限定はなく、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。但し、第二の粉末には第一の粉末より融点の高い材料を選択するほうが好ましい。第一の粉末に金属を用いる場合は、第二の粉末としては、より融点の高いセラミックス粉末などを用いることが好ましい。これは第一の粉末にエネルギーを付与して固化する際に、より高い温度で固化される材質を選択することで、第一の粉末のみを選択的に固化させ、第二の粉末を粉末状態もしくは除去容易な程度の焼結状態に留めておくことにより、三次元造形物５００を取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業の負荷を抑制できるためである。
【００３４】
構成材料に含まれる第一の溶媒としては、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。
【００３５】
また、支持材料に含まれる第二の溶媒としては、前記第一の溶媒の例に挙げた溶媒を用いることができ、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。ただし、第一の溶媒に対して少なくとも一つの同一組成の溶媒を含む。
【００３６】
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。
【００３７】
なお、第一の材料及び第二の材料の粘度範囲はそれぞれ１０Ｐａ・ｓ以上２０Ｐａ・ｓ以下の範囲内であり、第一の材料と第二の材料との粘度範囲差が２Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。第一の材料及び第二の材料の粘度範囲はそれぞれ１０Ｐａ・ｓ以上２０Ｐａ・ｓ以下の範囲内とすることで、輪郭層形成工程において、第一の材料と第二の材料が一体化してから固化工程までの時間に第一の粉末と第二の粉末が分散して混じり合うことを防ぐことができる。また、粘度範囲差を２Ｐａ・ｓ以下にすることで、着弾した後に第一の材料の高さと第二の材料の高さの差を抑えることができる。
【００３８】
構成材料と支持材料は同程度の固形分濃度であることが好ましく、その割合は９０ｗｔ％程度が好ましい。これによって、固化工程時において層の厚みを均一とすることができる。
【００３９】
＜三次元造形物の製造方法＞
次に、上記製造装置２０００を用いて行う三次元造形物５００の製造方法の一例について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態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。
【００４０】
本実施形態の三次元造形物５００の製造方法は、図３に示すように、最初にステップＳ１１０で、三次元造形物５００のデータを制御ユニット４００に取得する。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５００の形状を表すデータを取得する。
【００４１】
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５００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）を制御ユニット４００で生成する。
この際、生成されるビットマップデータは、三次元造形物５００の非構成領域（支持層３００の形成領域）と、三次元造形物５００の構成領域（構成層３１０の形成領域）と、その輪郭領域（輪郭層３２０の形成領域）と、に区別されたデータとなる。
【００４２】
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５００の非構成領域（支持層３００）を形成するデータか、三次元造形物５００の構成領域（構成層３１０）を形成するデータか、輪郭領域（輪郭層３２０）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、構成層３１０を形成するデータと判断された場合はステップＳ１５０に進み、輪郭層３２０を形成するデータと判断された場合はステップＳ１９０に進む。
以下では、輪郭層３２０、構成層３１０、支持層３００の順に製造する方法を一例として挙げ説明する。
【００４３】
（輪郭層形成工程）
ステップＳ１９０の輪郭層形成工程は、第一の粉末と第一の溶媒とバインダーとを含む構成材料と、第二の粉末と第二の溶媒とバインダーとを含む支持材料を吐出部１８３０から吐出して飛翔中に一体化させ、一体化させた構成材料と支持材料とにより三次元造形物５００の輪郭に相当する輪郭層３２０を形成する工程である。なお、構成材料と支持材料とを吐出する方法は、二通りあるので、図４Ａと図４Ｂを参照して説明する。図４Ａは、構成材料と支持材料とを連続体状に吐出する方法を説明する図である。図４Ｂは、構成材料と支持材料とを液滴状に吐出する方法を説明する図である。図２に示す吐出部１８３０の第一の吐出方法は、図４Ａに示すように、構成材料及び支持材料が連続体状で吐出される状態により輪郭層３２０を形成する形態である。また、第二の吐出方法は、図４Ｂに示すように、構成材料及び支持材料が液滴状で供給される状態により輪郭層３２０を形成する形態である。構成材料及び支持材料の吐出形態は、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、本実施形態では構成材料及び支持材料が液滴状で吐出される形態により説明する。
【００４４】
以下、輪郭層３２０の形成手順について、図５Ａ〜図５Ｃ及び図６Ａ〜図６Ｂを参照して説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、吐出部１８３０の配置と、三次元造形物５００の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。図６Ａ〜図６Ｂは、図５Ａに示すＡ部の拡大図である。なお、輪郭層形成工程では、ヘッドベース８４０に４個の吐出部１８３０が備えられた例を挙げて説明する。
【００４５】
ヘッドベース８４０には、図５Ａに示すように、４個の吐出部１８３１〜１８３４が、Ｙ軸方向に沿って千鳥配列に配置されている。まず、ステージ１２０がＸ軸方向に移動すると、複数の吐出部１８３１〜１８３４から構成材料及び支持材料がほぼ同じ体積量、且つ、同じタイミングにて液滴状態で吐出され、試料プレート１２１の所定の位置（三次元造形物５００の輪郭となるべき領域）に一体化された構成材料及び支持材料が配置され、輪郭層３２０が形成される。輪郭層３２０の膜厚（構成材料及び支持材料の高さ）には均一性が求められるため、構成材料及び支持材料に含まれる粉末の固形分濃度は略等しく調整されている。具体的には、図５Ａに示すように、ステージ１２０をＸ軸方向に移動させながら、吐出部１８３１〜１８３４から構成材料及び支持材料を吐出して飛翔中に一体化させ、一体化した構成材料及び支持材料による複合材料が試料プレート１２１の所定の位置に配置され、輪郭層構成部３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ及び３２０ｄが形成される。なお、Ｘ軸方向と交差する方向で三次元造形物５００の輪郭を形成する場合は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、飛翔方向であるＺ軸を中心に所定の角度分だけ支持材料吐出ノズル１８３０ａ及び構成材料吐出ノズル１８３０ｃを回転調整させて吐出させる。次に、吐出部１８３１〜１８３４のＹ軸方向における２ライン目の輪郭層構成部（３２０ａ’，３２０ｂ’，３２０ｃ’，３２０ｄ’）を形成するため、Ｙ軸方向にステージ１２０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軸方向に移動させる。本実施例ではｎを３として説明する。
【００４６】
上記のように輪郭層構成部を形成することによって、図５Ａに示すように、吐出部１８３１〜１８３４のＸ軸方向における１ライン分（Ｙ軸方向における１ライン目）の輪郭層構成部（３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ）と、図５Ｂに示すように、Ｙ軸方向における２ライン目の輪郭層構成部（３２０ａ’，３２０ｂ’，３２０ｃ’，３２０ｄ’）が形成される。
【００４７】
次に、吐出部１８３１〜１８３４のＹ軸方向における３ライン目の輪郭層構成部（３２０ａ’’，３２０ｂ’’，３２０ｃ’’，３２０ｄ’’）を形成するため、Ｙ軸方向にステージ１２０を移動させる。移動量は、Ｐ／３ピッチ分だけＹ軸方向に移動させる。そして、上記と同様な動作を行うことで、図５Ｃに示すように、Ｙ軸方向における３ライン目の輪郭層構成部（３２０ａ’’，３２０ｂ’’，３２０ｃ’’，３２０ｄ’’）が形成され、輪郭層３２０を得ることができる。
【００４８】
（輪郭層固化工程）
次に、ステップＳ２００の輪郭層固化工程に進む。本実施形態では、輪郭層構成部からなる輪郭層３２０を形成してから、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いて輪郭層３２０を焼結または溶融し固化する。なお、輪郭層構成部が形成される毎に輪郭層構成部をそれぞれ焼結または溶融し固化してもよい。このとき、構成材料及び支持材料に含まれる溶媒やバインダー等の有機成分は気化もしくは熱分解して気化し除去される。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。
【００４９】
（構成層形成工程）
次に、構成層３１０を形成する工程であるステップＳ１５０の構成層形成工程に進む。ステップＳ１５０の構成層形成工程は、構成材料のみを吐出部１８３０から吐出して構成層３１０を形成する工程である。次に、構成層３１０の形成手順について説明する。構成層形成工程において、構成材料のみを液滴の状態で吐出部１８３０から吐出させて構成層３１０を形成する。構成材料は、輪郭層の第一の紛末を含む構成材料面に接するように吐出される。このとき、輪郭層形成工程で輪郭層３２０を形成する際に吐出される構成材料の液滴量よりも、構成層形成工程で構成層３１０を形成する際に吐出される液滴量の方が大きい。つまり、構成層３１０を形成する際の液滴よりも小さい液滴で輪郭層３２０を形成する。すなわち、相対的に小さい液滴で三次元造形物５００の輪郭の形状を決定する輪郭層３２０を形成し、相対的に大きい液滴で三次元造形物５００の内部を構成する構成層３１０を形成する。このため、三次元造形物５００において高い精度で形成する必要のある輪郭の形状を決定する輪郭層３２０を高い精度で形成することができるとともに、三次元造形物５００において高い精度で形成する必要のない内部を構成する構成層３１０を迅速に形成できる。具体的には、輪郭層３２０を形成する際の吐出量３ｎＬに対し、構成層３１０を形成する際の吐出量は６ｎＬであることが好ましい。なお、上述した連続体状で構成層３１０を形成してもよい。
【００５０】
ここで、吐出部１８３０から構成材料のみを吐出する方法について、図７を参照して説明する。図７は、吐出部から構成材料のみを吐出する方法を説明する図である。吐出部１８３０から構成材料のみを吐出すると、図７に示すように、構成材料吐出ノズル１８３０ｃはＺ軸に対し９．５度程度の傾きを持っているため飛翔方向は構成材料吐出ノズル１８３０ｃに沿って傾く。この際に着弾位置は輪郭層３２０を形成した際の位置からオフセット量Ｏだけずれる。オフセット量Ｏはおよそ０．３３ｍｍであり、この分だけ吐出部１８３０とステージ１２０の相対位置を補正して任意の位置に構成材料を供給する。
【００５１】
（構成層固化工程）
構成層３１０を形成後は、ステップＳ１７０の構成層固化工程に進む。ステップＳ１７０の構成層固化工程では、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いて構成層３１０を焼結または溶融し固化する。このとき、輪郭層の構成材料面を含めて焼結または溶融し固化することにより平坦性を向上させることができる。このとき、構成材料に含まれる第一の溶媒やバインダー等の有機成分は気化もしくは熱分解して気化し徐々される。なお、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。
【００５２】
（支持層形成工程）
次に、支持層３００を形成する工程であるステップＳ１４０の支持層形成工程に進む。ステップＳ１４０の支持層形成工程は、支持材料のみを吐出部１８３０から吐出して支持層３００を形成する工程である。次に、支持層３００の形成手順について説明する。支持層形成工程において、支持材料のみを液滴の状態で吐出部１８３０から吐出させて支持層３００を形成する。支持材料は、輪郭層の第二の紛末を含む支持材料面に接するように吐出される。このとき、輪郭層形成工程で輪郭層３２０を形成する際に吐出される支持材料の液滴量よりも、支持層形成工程で支持層３００を形成する際に吐出される液滴量の方が大きい。つまり、支持層３００を形成する際の液滴よりも小さい液滴で輪郭層３２０を形成する。すなわち、相対的に小さい液滴で三次元造形物５００の輪郭の形状を決定する輪郭層３２０を形成し、相対的に大きい液滴で三次元造形物５００を支持する支持層３００を形成する。このため、三次元造形物５００において高い精度で形成する必要のある輪郭の形状を決定する輪郭層３２０を高い精度で形成することができるとともに、三次元造形物５００において高い精度で形成する必要のない支持層３００を迅速に形成できる。具体的には、輪郭層３２０を形成する際の吐出量３ｎＬに対し、支持層３００を形成する際の吐出量は６ｎＬであることが好ましい。なお、上述した連続体状で支持層３００を形成してもよい。
【００５３】
また、上述の構成材料と同じく、吐出部１８３０から支持材料のみを吐出すると、支持材料吐出ノズル１８３０ａはＺ軸に対し９．５度程度の傾きを持っているため飛翔方向は支持材料吐出ノズル１８３０ａに沿って傾く。この際に着弾位置は輪郭層３２０を形成した際の位置からオフセット量Ｏだけずれる。オフセット量Ｏはおよそ０．３３ｍｍであり、この分だけ吐出部１８３０とステージ１２０の相対位置を補正して任意の位置に支持材料を供給する。
【００５４】
（支持層固化工程）
支持層３００を形成後は、ステップＳ１６０の支持層固化工程に進む。ステップＳ１６０の支持層固化工程では、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いて支持層３００を焼結する。輪郭層３２０の支持材料面を含めて焼結することにより平坦性を向上させることができる。このとき、支持材料に含まれる第二の溶媒やバインダー等の有機成分は気化もしくは熱分解して気化し徐去される。ただし、本ステップ（ステップＳ１６０）は、省略してもよい。
【００５５】
以上により、輪郭層３２０、構成層３１０、支持層３００から構成される層５０１が形成される。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５００の形成が終了するまで、ステップＳ１３０からステップＳ１８０までが繰り返される。
【００５６】
つまり、輪郭層３２０、構成層３１０、及び支持層３００の層毎に固化工程を行い、積層体としての三次元造形物５００を形成している。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５００の製造方法を終了する。
なお、固化工程を層毎に行った場合には、エネルギー付与が層毎に調整でき固化を効率的に実行することが可能となる。
また、ステップＳ１４０の支持層３００形成、ステップＳ１５０の構成層３１０形成、ステップＳ１９０の輪郭層３２０形成の順番は、特に限定されない。
【００５７】
次に、上述の本実施形態に係る三次元造形物５００の製造方法の他の実施例について説明する。上述した実施形態では、輪郭層形成工程、構成層形成工程、支持層形成工程それぞれの工程ごとに固化工程を有していた。本実施例では、固化工程は、積層体として三次元造形物５００を形成した後に一括で行うものである。具体的には、製造装置２０００とは別に設けられた恒温槽（加熱部）で第一の粉末の焼結温度（第二の粉末の焼結温度未満）になるように加熱し、構成層３１０を焼結し固化する。固化工程により、構成材料及び支持材料に含まれる溶媒やバインダー等の有機成分を熱分解して気化させるので、未焼結の支持層３００は、粉末状態となり、焼結した構成層３１０から容易に除去することが可能である。
【００５８】
また、上述した実施形態では、構成材料及び支持材料を用いたが、構成材料及び支持材料とは異なる材料を吐出可能なヘッドユニットから吐出して、構成層３１０や支持層３００を形成しても良い。その結果、異種材料から構成される三次元造形物５００を得ることができる。
【００５９】
以上述べたように、本実施形態に係る三次元造形物５００の製造方法によれば、以下の効果を得ることができる。
輪郭層形成工程において、第一の材料と第二の材料は飛翔中に一体化し、第一の材料と第二の材料の界面が着弾前に形成される。飛翔中に形成された界面は着弾後も維持されるため、ぬれ広がり速度及び、着弾する際の時間差による輪郭形成時の寸法誤差を排除することができ、高精度に造形物の輪郭を形成できる。その結果、高精度な三次元造形物５００を得ることができる。また、輪郭層形成工程と、構成層形成工程と、支持層形成工程と、固化工程と、を有し、あらかじめ輪郭層形成工程により輪郭層３２０を先に形成し、輪郭層３２０によって区切られた構成層３１０の領域と支持層３００の領域にそれぞれ第一の材料と第二の材料を配置することができる。これによって、構成層３１０及び支持層３００の形成時に吐出される材料による輪郭層３２０へのぬれ広がりによる材料配置位置への干渉を防ぐことができるため、造形精度を向上することができる。さらに、輪郭層形成工程の直後に固化工程を実施することもできる。これによって先に形成した輪郭層３２０を固定して、構成層形成工程及び支持層形成工程による輪郭位置の干渉を防ぐことにより、造形精度を向上することができる。
【００６０】
また、第一の溶媒と第二の溶媒は、少なくとも一つの同一組成の溶媒を含むため、界面での親和性を持ち、飛翔中に一体化することができる。また、材料の粘度範囲が１０Ｐａ・ｓ以上２０Ｐａ・ｓ以下であれば、構成材料と支持材料とが一体化してから固化工程までの時間に構成粉末と支持粉末とが分散して混じり合うことを防ぐことができる。そのため固化工程の後に支持材料を除去すると、固化された構成材料による滑らかな輪郭表面を得ることができ、造形精度を高めることができる。また、粘度範囲差を２Ｐａ・ｓ以下にすることで、着弾した後に構成材料の高さと支持材料の高さの差を抑えることができる。そのため、層の厚み方向の寸法誤差を軽減でき、造形精度を向上することができる。
【００６１】
また、第一の粉末の焼結温度又は融点が、第二の粉末の焼結温度又は融点よりも低いので、その差を利用して、固化工程後容易に構成材料と支持材料とを分離することができる。これによって簡単に三次元造形物５００を得ることができる。
【００６２】
また、第一の粉末は三次元造形物５００を構成する材料であって、アルミ、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼の少なくともいずれか１つの成分を含む粉末であり、第二の粉末は三次元造形物５００を支持する材料であって、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコンの少なくともいずれか１つの成分を含む粉末である。そのため、第一の粉末及び第二の粉末の焼結温度又は融点の差により、固化工程において第一の粉末のみを選択的に固化させ、第二の粉末を粉末状態もしくは除去容易な程度の焼結状態に留めておくことが容易である。よって、三次元造形物５００の強度を確保しつつ、三次元造形物５００を取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などの負荷が大きくなるということを抑制できる。
【００６３】
また、輪郭層形成工程において、飛翔方向を軸に吐出部１８３０を回転させることによって、第一の材料と第二の材料との界面を任意の方向に制御できるため、造形物の輪郭に沿った方向に構成材料と支持材料との界面を形成することができる。これによって、造形精度を高めることができる。
【００６４】
また、固化工程を各層形成毎に行うことにより、エネルギー付与が層毎に調整でき固化を効率的に実行することが可能になる。
【００６５】
また、固化工程を層形成工程が全て終了した後に行うと、全層の三次元造形物５００を固化対象として行うこととなり、全体として三次元造形物５００の寸法の変化を和らげることができる。特に、焼結による固化手段を採用した場合に適している。
【００６６】
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】
【００６７】
１１０…基台、１２０…ステージ、１２１…試料プレート、３００…支持層、３１０…構成層、３２０…輪郭層、３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ…輪郭層構成部、４００…制御ユニット、５００…三次元造形物、５０１，５０２，５０３，５０ｎ…層、８４０…ヘッドベース、１２１０…構成材料供給ユニット、１５００…材料供給コントローラー、１７１０…支持材料供給ユニット、１８３０…吐出部、１８３０ａ…支持材料吐出ノズル、１８３０ｂ…支持材料吐出駆動部、１８３０ｃ…構成材料吐出ノズル、１８３０ｄ…構成材料吐出駆動部、１８３１，１８３２，１８３３，１８３４…吐出部、２０００…製造装置、３０００…ガルバノミラー、３１００…レーザー照射部、Ｏ…着弾位置オフセット量。
【図１】
2017166050.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
2017166050.tif 000011
【図６Ｂ】
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【図７】
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