(57)【要約】【課題】高い生産性を得るとともに、微細形状の精密造形も高い精度で実現した３次元成形物と、その３次元成形物の成形方法を得ることを目的とする。【解決手段】金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギー線を照射し得られる焼結単層を含む第一の単層上に、少なくとも前記焼結単層を含む第二の単層を積層して形成される３次元成形物であって、前記焼結単層は、液滴状に吐出された前記被焼結材料に前記エネルギー線が照射されて焼結した焼結体を集合させて形成され、前記焼結体の平面視における焼結体径をＤｓとし、隣り合う前記焼結体の焼結体中心の間の距離をＰｓ、とした場合、０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０、である３次元成形物。【選択図】図１
2017025386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギー線を照射し得られる焼結単層を含む第一の単層上に、少なくとも前記焼結単層を含む第二の単層を積層して形成される３次元成形物であって、
前記焼結単層は、液滴状に吐出された前記被焼結材料に前記エネルギー線が照射されて焼結した焼結体を集合させて形成され、
前記焼結体の平面視における焼結体径をＤｓとし、
隣り合う前記焼結体の焼結体中心の間の距離をＰｓ、とした場合、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
である、
ことを特徴とする３次元成形物。
【請求項２】
前記焼結単層は、隣り合う第１の焼結体と、第２の焼結体と、第３の焼結体と、を含み、
前記第二の単層は、前記第二の単層に含む前記焼結体の前記焼結体中心が、前記第一の単層に含む前記第１の焼結体、前記第２の焼結体、および前記第３の焼結体の各々の前記焼結体中心を結んで構成される平面視における３角形領域に重なるように配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元成形物。
【請求項３】
前記エネルギー線がレーザーであることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元成形物。
【請求項４】
金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギー線を照射し得られる焼結単層を含む第一の単層上に、少なくとも前記焼結単層を含む第二の単層を積層して３次元成形物を得る３次元成形方法であって、
前記焼結単層は、前記被焼結材料を液滴状に吐出させ形成された単位材料に前記エネルギー線が照射されて焼結した焼結体を集合させて形成され、
前記単体材料の平面視における単体材料径をＤｍとし、
隣り合う前記単体材料の単体材料中心の間の距離をＰｍ、とした場合、
０．５≦Ｐｍ／Ｄｍ＜１．０
である、
ことを特徴とする３次元成形方法。
【請求項５】
前記焼結単層に含む前記焼結体は、隣り合う第１の焼結体と、第２の焼結体と、第３の焼結体を含み、
前記第二の単層は、前記第二の単層に含む前記焼結体を形成する前記単体材料の前記単体材料中心が、前記第一の単層に含む前記第１の焼結体、前記第２の焼結体、および前記第３の焼結体の各々の焼結体中心によって構成される平面視における３角形領域と重なる、
ことを特徴とする請求項４に記載の３次元成形方法。
【請求項６】
前記エネルギー線がレーザーであることを特徴とする請求項４または５に記載の３次元成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元成形物および３次元成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料を用いて３次元形状を簡便に形成する製造方法として、特許文献１に示すような方法が開示されている。特許文献１に開示されている３次元形状造形物の製造方法は、原料に金属粉末と、溶剤と、粘着増進剤と、を有する金属ペーストを層状の材料層に形成して用いる。そして、層状の材料層に光ビームを照射して金属の焼結層もしくは金属の溶融層を形成し、材料層の形成と、光ビームの照射と、を繰り返すことにより焼結層もしくは熔融層が積層され、所望の３次元形状造形物が得られる。
【０００３】
特許文献１の３次元形状造形物の製造方法では、３次元形状造形物を構成する積層される材料層の一つの層において、３次元ＣＡＤのデータなどから得られる光ビームの照射経路に沿うように光ビームがガルバノミラーによってスキャンし、材料層が溶融、凝固されて所望の焼結層を得ることができる。また、特許文献２の３次元形状造形物の製造方法では、第１層目と第２層目、第２層目と第３層目の原料の滴下位置を異ならせて配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８４６２２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０１７５７０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された３次元形状造形物の製造方法において、生産性を向上させるには、光ビームの走査に交差する方向の材料層の溶融凝固幅を広くする、あるいは走査速度を速めることが求められる。一方で、３次元形状造形物に微細な造形領域を含む場合には、溶融凝固幅はより狭く、走査速度は遅くすることで微細な造形を得ることができる。
【０００６】
また特許文献２に開示された３次元形成物の製造方法においては、不完全なドット吐出位置を補正するために、第１層とは違った第２層を打ち分ける、あるいは第１層が形成されシュリンクした後の高さを補正するため吐出位置に補正を加える提案はあるが、最も効率を高め、材料供給を可能とする方法についての提示はされていない。
【０００７】
このように、３次元形状造形物の生産性の向上と、微細形状部の精密造形精度の向上とは、相反する要素を含むこととなる。しかし、特許文献１に開示された３次元形状造形物の製造方法では、生産性の向上と精密造形精度の向上を実現するには、例えば、溶融凝固幅を広く成形可能な光ビームと、精密造形用の光ビームと、を照射可能なように複数の光ビーム照射手段を備えることが必要になり、装置の大型化あるいは装置コストの上昇を招くこととなる。
【０００８】
そこで、一つのエネルギー線の照射手段から照射されるエネルギー線によって、溶融凝固幅を広くして高い生産性を得るとともに、微細形状の精密造形も高い精度で実現した３次元成形物と、その３次元成形物の成形方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１０】
〔適用例１〕本適用例の３次元形成物は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギー線を照射し得られる焼結単層を含む第一の単層上に、少なくとも前記焼結単層を含む第二の単層を積層して形成される３次元成形物であって、前記焼結単層は、液滴状に吐出された前記被焼結材料に前記エネルギー線が照射されて焼結した焼結体を集合させて形成され、前記焼結体の平面視における焼結体径をＤｓとし、隣り合う前記焼結体の焼結体中心の間の距離をＰｓ、とした場合、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
であることを特徴とする。
【００１１】
本適用例の３次元形成物は、エネルギー線の照射によって金属粉末を焼結させて得られる金属造形物の焼結単層を積層させて得られるものである。そして焼結単層は、複数の焼結体の集合物として形成される。このようにして得られる焼結単層は、焼結体の平面視における焼結体径をＤｓとし、隣り合う焼結体の焼結体中心の間の距離をＰｓ、とした場合、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係を満足させながら形成される。
【００１２】
本適用例によれば、上述の関係において、Ｐｓを、よりＤｓに近づける、すなわちＰｓ／Ｄｓを１．０に近づけることで隣り合う焼結体は互いに離間するように配置される。従って、短時間で焼結単層を形成することができ、生産性を高めることができる。またＰｓ／Ｄｓを０．５に近づけることで、隣り合う焼結体は互いに近接するように、すなわち重なる領域が多くなるように配置されることで、隣り合う焼結体が緻密に集合された焼結単層を形成することができ、精密な造形を可能とする。
【００１３】
なお、本適用例において、「焼結可能とする」における焼結とは、供給材料にエネルギーが供給されることによって、供給材料を構成するバインダーが供給エネルギーによって蒸散し、そして、残った金属粉末同士が供給エネルギーによって金属結合することをいう。なお、本明細書では金属粉末が溶融結合される形態も、エネルギーを供給することで金属粉末を結合させるものとして、焼結として説明する。
【００１４】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記焼結単層は、隣り合う第１の焼結体と、第２の焼結体と、第３の焼結体と、を含み、前記第二の単層は、前記第二の単層に含む前記焼結体の前記焼結体中心が、前記第一の単層に含む前記第１の焼結体、前記第２の焼結体、および前記第３の焼結体の各々の前記焼結体中心を結んで構成される平面視における３角形領域に重なるように配置されることを特徴とする。
【００１５】
上述の適用例１において、第一の単層の隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体の各々の焼結体中心間の距離Ｐｓが、Ｄｓの値と近い値で配置されると、隣り合う焼結体の間に焼結体の欠落部が発生する場合がある。しかし、上述の適用例によれば、第二の単層に含まれる焼結体が、下層の第一の単層の焼結単層に含む隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体の各々の焼結体中心を結ぶ３角形領域の平面視における領域内に、焼結体中心が重なるように配置されることで、第二の単層の焼結体を形成するエネルギー線が照射されることで、第一の単層に生じた焼結体の欠落部を埋めることができる。これにより、３次元成形物の内部に焼結体の欠落部、言い換えると欠陥部となり得る領域を除去しながら、３次元成形物を得ることができる。
【００１６】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記エネルギー線がレーザーであることを特徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、正確な位置にエネルギーを照射する制御、およびエネルギー量の増減を正確に制御することが可能である。従って、高い生産性を持ちながら高品質の３次元成形物を得ることができる。
【００１８】
〔適用例４〕本適用例の３次元形成方法は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギー線を照射し得られる焼結単層を含む第一の単層上に、少なくとも前記焼結単層を含む第二の単層を積層して３次元成形物を得る３次元成形方法であって、前記焼結単層は、前記被焼結材料を液滴状に吐出させ形成された単位材料に前記エネルギー線が照射されて焼結した焼結体を集合させて形成され、前記単位材料の平面視における単位材料径をＤｍとし、隣り合う前記単位材料の単位材料中心の間の距離をＰｍ、とした場合、
０．５≦Ｐｍ／Ｄｍ＜１．０
であることを特徴とする。
【００１９】
本適用例の３次元成形物の成形方法は、エネルギー線の照射によって金属粉末を焼結させて得られる金属造形物の焼結単層を積層させて得る方法である。そして焼結単層は、複数の焼結体の集合物として形成する。このようにして得られる焼結単層は、レーザーを照射して焼結体に形成させる原料としての単位材料の平面視における単位材料径をＤｍとし、隣り合う単位材料中心の間の距離をＰｍ、とした場合、
０．５≦Ｐｍ／Ｄｍ＜１．０
の関係を満足させながら形成される。
【００２０】
本適用例によれば、上述の関係において、ＰｍをよりＤｍに近づける、すなわちＰｍ／Ｄｍを１．０に近づけることで隣り合う焼結体に形成される単位材料は互いに離間するように配置される。従って、短時間で焼結単層を形成することができ、生産性を高めることができる。またＰｍ／Ｄｍを０．５に近づけることで、隣り合う焼結体に形成される単位材料は互いに近接するように、すなわち重なる領域が多くなるように配置されることで、隣り合う単位材料が緻密に配置され、配置された単位材料を焼結して得られる焼結体を緻密に集合させた焼結単層に形成することができ、精密な造形を可能とする。
【００２１】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記焼結単層に含む前記焼結体は、隣り合う第１の焼結体と、第２の焼結体と、第３の焼結体を含み、前記第二の単層は、前記第二の単層に含む前記焼結体を形成する前記単位材料の前記単位材料中心が、前記第一の単層に含む前記第１の焼結体、前記第２の焼結体、および前記第３の焼結体の各々の焼結体中心によって構成される平面視における３角形領域と重なることを特徴とする。
【００２２】
上述の適用例４において、第一の単層の隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体に形成される各々の単位材料中心間の距離Ｐｍが、Ｄｍの値と近い値で配置されると、焼結形成された隣り合う焼結体の間に焼結体の欠落部が発生する場合がある。しかし、上述の適用例によれば、第二の単層に含まれる焼結体に形成される単位材料が、下層の第一の単層の焼結単層に含む隣り合う第１、第２、そして第３の焼結体の各々の焼結体中心を結ぶ３角形領域の平面視における領域内に、単位材料中心が重なるように配置されることで、第二の単層の焼結体を形成するエネルギー線が照射されることで、第一の単層に生じた焼結体の欠落部を埋めることができる。これにより、３次元成形物の内部に焼結体の欠落部、言い換えると欠陥部となり得る領域を除去しながら、３次元成形物を得ることができる。
【００２３】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記エネルギー線がレーザーであることを特徴とする。
【００２４】
上述の適用例によれば、正確な位置にエネルギーを照射する制御、およびエネルギー量の増減を正確に制御することが可能である。従って、高い生産性を持ちながら高品質の３次元成形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る３次元形成物を製造する３次元形成装置の構成を示す概略構成図。
【図２】第１実施形態に係る３次元形成物を製造する３次元形成装置の保持手段を示す側面外観図。
【図３】第１実施形態に係る３次元形成物を製造する３次元形成装置の保持手段を示す上面からの外観図。
【図４】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の形成を示す模式図。
【図５】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の形成を示す模式図。
【図６】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の形成を示す模式図。
【図７】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図８】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図９】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図１０】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図１１】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図１２】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図１３】第１実施形態に係る３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体の配置を説明する概念図。
【図１４】図９に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図１５】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造方法を示すフローチャート。
【図１６】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図１７】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図１８】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図１９】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２０】第２実施形態に係る３次元形状造形物の単位材料の配置を示す平面概念図。
【図２１】図２０に示すＢ−Ｂ´部の断面図。
【図２２】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２３】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２４】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２５】第２実施形態に係る３次元形状造形物の単位材料の配置を示す平面概念図。
【図２６】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２７】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２８】第２実施形態に係る３次元形状造形物の製造工程を示す部分断面図。
【図２９】第３実施形態に係る３次元形成方法により形成される３次元形状造形物を示す断面図。
【図３０】第３実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。
【図３１】第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。
【図３２】第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。
【図３３】第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。
【図３４】第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る３次元成形物を成形するための製造装置の一例を示す概略構成を示す構成図である。なお、本明細書における「３次元成形物」とは、いわゆる立体造形物として形成されるものを示すものであり、例えば、平板状、いわゆる２次元形状の成形物であっても、厚みを有する形状であれば、３次元成形物に含まれる。
【００２８】
図１に示すように、３次元形成装置１０００は、基台１０と、基台１０に備える駆動手段としての駆動装置１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能に備えられたステージ２０と、一方の端部が基台１０に固定され、他方の端部に後述する材料供給手段とエネルギー照射手段と、を保持する保持手段としてのヘッド３１を保持固定する支持アーム３２と、を備えるヘッド支持部３０と、を備えている。なお、本実施形態ではステージ２０を駆動装置１１によってＸ、Ｙ，Ｚ方向に駆動させる構成を説明するが、これに限定されず、ステージ２０と、ヘッド３１と、が相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能であればよい。
【００２９】
そしてステージ２０上に、３次元成形物としての３次元形状造形物２００に形成される過程での部分造形物２０１，２０２，２０３が層状に形成される。３次元形状造形物２００の形成には後述するが、レーザーによる熱エネルギーの照射がされるため、ステージ２０の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート２１を用いて、試料プレート２１の上に３次元形状造形物２００を形成してもよい。試料プレート２１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、更に焼結あるいは熔融される供給材料との反応性も低く、３次元形状造形物２００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、部分造形物２０１，２０２，２０３の３層を例示したが、所望の３次元形状造形物２００の形状まで積層される。
【００３０】
ヘッド３１には、材料供給手段としての材料供給装置４０に備える材料吐出部４１と、エネルギー照射手段としてのレーザー照射装置５０に備えるエネルギー照射部としてのレーザー照射部５１と、が保持されている。レーザー照射部５１は、本実施形態では第１レーザー照射部５１ａと、第２レーザー照射部５１ｂと、を備えている。
【００３１】
３次元形成装置１０００は、例えば図示しない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３次元形状造形物２００の造形用データに基づいて、上述したステージ２０、材料供給装置４０に備える材料吐出部４１、およびレーザー照射装置５０を制御する制御手段としての制御ユニット６０を備えている。制御ユニット６０には、図示されないが、少なくともステージ２０の駆動制御部と、材料吐出部４１の作動制御部と、レーザー照射装置５０の作動制御部と、を備えている。そして、制御ユニット６０には、ステージ２０、材料吐出部４１、およびレーザー照射装置５０と、が連携して駆動、動作させる制御部を備えている。
【００３２】
基台１０に移動可能に備えられているステージ２０は、制御ユニット６０からの制御信号に基づき、ステージコントローラー６１においてステージ２０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１０に備える駆動装置１１に送られ、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向にステージ２０が移動する。
【００３３】
ヘッド３１に固定されている材料吐出部４１では、制御ユニット６０からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー６２において材料吐出部４１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材料吐出部４１から所定量の材料が吐出される。
【００３４】
材料吐出部４１には、材料供給装置４０に備える材料供給ユニット４２から材料供給経路としての供給チューブ４２ａが延設され、接続されている。材料供給ユニット４２には、本実施形態に係る３次元形成装置１０００によって造形される３次元形状造形物２００の原料を含む被焼結材料が供給材料として収容されている。供給材料の被焼結材料としては、３次元形状造形物２００の原料となる金属、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）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらを１つ以上含む合金などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料である。
【００３５】
なお、金属粉末は、平均粒径が１０μｍ以下のものが好ましく、溶媒または分散媒としては、例えば、蒸留水、純水、ＲＯ水等の各種水の他、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）、エチレングリコールモノエチルエーテル（エチルセロソルブ）、エチレングリコールモノフェニルエーテル（フェニルセロソルブ）等のエーテル類（セロソルブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ぺンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロへキサン、メチルシクロへキサン等の環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン等の長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭化水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドン等の芳香族複素環類、アセトニトリル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩またはその他の各種油類等が挙げられる。
【００３６】
増粘剤としては上述の溶剤または分散媒に可溶であれば、限定されない。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、合成樹脂等を用いることができる。また、例えば、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）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。熱可塑性樹脂を用いる場合には、材料吐出部４１及び材料供給ユニット４２を加熱することで熱可塑性樹脂の柔軟性を維持する。また、耐熱溶剤として、シリコーンオイル等を用いることで、流動性を向上できる。
【００３７】
ヘッド３１に固定されているレーザー照射装置５０に備えるレーザー照射部５１は、制御ユニット６０からの制御信号に基づき、レーザー発振器５２により所定出力のレーザーが発振され、レーザー照射部５１より、レーザーが照射される。レーザーは、材料吐出部４１から吐出された供給材料に照射され、供給材料に含まれる金属粉末を焼結、もしくは熔融し固体化する。その時、同時に供給材料に含まれる溶剤、および増粘剤はレーザーの熱により蒸散される。本実施形態に係る３次元形成装置１０００に用いられるレーザーは特に限定はないが、炭酸ガスレーザーより金属の吸収効率が高いファイバーレーザーが好ましい。
【００３８】
本実施形態に係る３次元形成装置１０００では、エネルギー線としてレーザーを照射する形態としている。これは、出力制御の容易さ、照射ターゲットに正確に照射することができることから、レーザーを用いることが好ましい。なお、エネルギー線としてレーザーを照射する形態に限定されない。被焼結材料を焼結させる熱量を供給する手段であれば、例えば高周波、ハロゲンランプなどであってもよい。
【００３９】
図２および図３は、図１に示すヘッド３１と、ヘッド３１に保持された材料吐出部４１とレーザー照射部５１と、を示す拡大外観図であり、図２は図１に示すＹ方向矢視外観図、図３は図１に示すＺ方向矢視外観図である。図２および図３に示すように、ヘッド３１に保持される材料吐出部４１は、吐出ノズル４１ｂと、吐出ノズル４１ｂから所定の量の材料を吐出させる吐出駆動部４１ａと、を備えている。吐出駆動部４１ａには、材料供給ユニット４２に繋がれた供給チューブ４２ａが接続され、供給チューブ４２ａを介して被焼結材料Ｍが供給される。吐出駆動部４１ａには、図示しない吐出駆動装置が備えられ、材料供給コントローラー６２からの制御信号に基づき被焼結材料Ｍを吐出ノズル４１ｂに送出する。
【００４０】
吐出ノズル４１ｂの吐出口４１ｃから吐出された被焼結材料Ｍは、液滴状、すなわち略球体形状となる材料飛翔体Ｍｆとなって試料プレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３に向けて飛翔し、試料プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位材料Ｍｓとして試料プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成される。
【００４１】
そして、単位材料Ｍｓに向けて、第１レーザー照射部５１ａからレーザーＬ１が、第２レーザー照射部５１ｂからレーザーＬ２が、出射される。レーザーＬ１と、レーザーＬ２と、によって単位材料Ｍｓは加熱、焼成される。
【００４２】
吐出口４１ｃから吐出される材料飛翔体Ｍｆは、吐出口４１ｃから図示矢印の重力方向Ｇに向けて吐出されることが好ましい。すなわち、材料飛翔体Ｍｆを確実に着弾位置に向けて飛翔させ、単位材料Ｍｓが所望の位置に配置させることが、重力方向Ｇに材料飛翔体Ｍｆを吐出することで可能になる。そして、重力方向Ｇに向けて吐出され着弾した単位材料Ｍｓに向けて照射されるレーザーＬ１，Ｌ２は、重力方向Ｇに対して交差する方向、すなわち、第１レーザー照射部５１ａからは、重力方向Ｇと角度α１をなす図示する照射方向ＦL1に向けてレーザーＬ１が出射され、単位材料Ｍｓに照射される。同様に、第２レーザー照射部５１ｂからは、重力方向Ｇと角度α２をなす図示する照射方向ＦL2に向けてレーザーＬ２が出射され、単位材料Ｍｓに照射され、焼結体２００ｓが形成される。
【００４３】
上述したように３次元形成装置１０００では、試料プレート２１上、もしくは部分造形物２０３上に単位材料Ｍｓが配置され、レーザーＬ１，Ｌ２によって焼結された焼結体２００ｓが形成される。そして、基台１０に備える駆動装置１１によってステージ２０と、ヘッド３１と、が相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動されながら、３次元形状造形物２００の造形データに基づいて所定の位置に焼結体２００ｓを複数形成し、焼結体２００ｓの集合体として焼結単層としての部分造形物２０１，２０２，２０３を形成する。
【００４４】
図４、図５、図６は、上述の３次元形成装置１０００を用いて形成される３次元形成物の焼結単層を構成する焼結体２００ｓを形成する形態を模式的に示す。図４に示す状態は、ヘッド３１（図１参照）が待機位置ｍ１での待機状態から、焼結体２００ｓを形成開始する形成位置ｍ２まで距離Ｔを移動させ、形成位置ｍ２に材料吐出部４１の吐出ノズル４１ｂが配置される。
【００４５】
そして吐出ノズル４１ｂから吐出された材料飛翔体Ｍｆが試料プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位材料Ｍｓとして試料プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成される。形成された単位材料Ｍｓに向けてレーザー照射部５１ａ，５１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が照射され焼結体２００ｓが形成される。
【００４６】
形成位置ｍ２に焼結体２００ｓが形成されると、図５に示す次の形成位置ｍ３にヘッド３１を距離Ｐｓ１移動させ、形成位置ｍ３に材料吐出部４１の吐出ノズル４１ｂが配置される。そして吐出ノズル４１ｂから吐出された材料飛翔体Ｍｆが試料プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位材料Ｍｓとして試料プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成される。形成された単位材料Ｍｓに向けてレーザー照射部５１ａ，５１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が照射され焼結体２００ｓが形成位置ｍ３に形成される。
【００４７】
形成位置ｍ３に焼結体２００ｓが形成されると、更に、図６に示す次の形成位置ｍ４にヘッド３１を距離Ｐｓ２移動させ、形成位置ｍ４に材料吐出部４１の吐出ノズル４１ｂが配置される。そして吐出ノズル４１ｂから吐出された材料飛翔体Ｍｆが試料プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位材料Ｍｓとして試料プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成される。形成された単位材料Ｍｓに向けてレーザー照射部５１ａ，５１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が照射され焼結体２００ｓが形成位置ｍ４に形成される。
【００４８】
上述したように、本実施形態に係る３次元形状造形物２００を構成する単層は、ヘッド３１の移動、すなわちヘッド３１に備える材料吐出部４１と、レーザー照射部５１と、を移動させ、図４，５，６に示す形成位置ｍ２，ｍ３，ｍ４に単位材料Ｍｓを配置し、レーザーＬ１，Ｌ２を単位材料Ｍｓに照射することで形成される焼結体２００ｓの集合体の焼結単層としての部分造形物２０１，２０２，２０３構成されるものである。
【００４９】
図７，８，９は、図４，５，６で説明した部分造形物２０１，２０２，２０３における焼結体２００ｓの配置を説明する概念図である。なお、説明の便宜上、部分造形物２０１を例に説明し、図７はヘッド３１の走査形態、すなわち材料吐出部４１の走査形態を説明する概念図、図８，９は、図４，５，６に示す形成位置ｍ２，ｍ３，ｍ４に形成される焼結体２００ｓを例示して焼結体２００ｓの詳細配置を説明する概念図である。なお、以下の説明での「第一の単層」および「第二の単層」とは、後述するが、第一の単層の上に、第二の単層が積層されて３次元成形物が形成されることから、積層される単層の、いわゆる上下関係を区分するためのものであり、下層が第一の単層、上層が第二の単層としている。
【００５０】
図７に示すように、本実施形態では図示矢印ＦD方向にヘッド３１を移動させて材料吐出部４１から材料を吐出し単位材料Ｍｓを試料プレート２１上に形成し、レーザーＬ１，Ｌ２を照射し焼結体２００ｓを順次形成しながら、ＦD方向の所定の領域に焼結体２００ｓの形成が終了するとＦL方向にヘッド３１を移動させ、ＦD方向の所定の領域に焼結体２００ｓを形成する、ヘッド３１の走査形態を例示する。このようにヘッド３１を走査させることにより、焼結体２００ｓの集合体の焼結単層としての部分造形物２０１が形成される。
【００５１】
図７に示すヘッド３１の走査によって形成される焼結体２００ｓは、図８，９に示すように配置される。図８に示すように、形成位置ｍ２に形成された焼結体２００ｓに隣り合うように形成位置ｍ３に焼結体２００ｓが形成される。形成位置ｍ２における焼結体２００ｓと、形成位置ｍ３における焼結体２００ｓと、は図５で説明した距離Ｐｓ１を有して形成されている。以下、距離Ｐｓ１をドットピッチＰｓ１という。
【００５２】
ドットピッチＰｓ１は、形成位置ｍ２における焼結体２００ｓと、形成位置ｍ３における焼結体２００ｓと、の間に焼結体２００ｓの未成形部が生じないよう、重複部２００ｐが形成される。すなわち、焼結体２００ｓの形成直径、すなわち焼結体径Ｄｓに対して、
Ｐｓ１＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されることが好ましい。
【００５３】
図９は、図８に示す形成位置ｍ３と隣り合う形成位置ｍ４に形成される焼結体２００ｓの配置を示す。形成位置ｍ３における焼結体２００ｓと、形成位置ｍ４における焼結体２００ｓと、は図６で説明した距離Ｐｓ２を有して形成されている。以下、距離Ｐｓ２をドットピッチＰｓ２という。ドットピッチＰｓ２は、形成位置ｍ３における焼結体２００ｓと、形成位置ｍ４における焼結体２００ｓと、の間に焼結体２００ｓの未成形部が生じないよう、重複部２００ｐが形成される。すなわち、焼結体２００ｓの形成直径Ｄｓに対して、
Ｐｓ２＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されることが好ましい。
【００５４】
このように、図７に示す走査方向ＦDに形成される焼結体２００ｓは、隣り合う焼結体２００ｓのドットピッチをＰSD1とすると、
ＰSD1＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されるよう、ヘッド３１の走査を制御することが好ましい。尚且つ、隣り合う焼結体２００ｓによって形成される焼結領域を広くするために、
ＰSD1≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦ＰSD1／Ｄｓ＜１．０
の条件を満たすことがより好ましい。
【００５５】
図１０，１１は、図８，９に示す走査方向ＦDに沿って形成された１列目の焼結体２００ｓに対して、走査方向ＦLに沿ってヘッド３１をラインピッチＱ１分移動させ、２列目の焼結体を形成する場合の焼結体の配置を説明する概念図である。
【００５６】
図１０に示すように、１列目の形成位置ｍ２に形成される焼結体２００ｓと、１列目の形成位置ｍ２に形成される焼結体２００ｓと隣り合う２列目の形成位置ｍ２２に形成される焼結体２００ｓと、の中心間距離であるドットピッチＰSD2は、上述した１列目の隣り合う焼結体２００ｓの関係と同様に、
ＰSD2＜Ｄｓ
を満足し、
ＰSD2≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦ＰSD2／Ｄｓ＜１．０
であることが好ましい。
【００５７】
また、１列目の形成位置ｍ２と隣り合う形成位置ｍ３に形成される焼結体２００ｓと、１列目の形成位置ｍ３に形成される焼結体２００ｓと隣り合う２列目の形成位置ｍ２２に形成される焼結体２００ｓと、の中心間距離であるドットピッチＰSD3は、上述した１列目の隣り合う焼結体２００ｓの関係同様に、
ＰSD3＜Ｄｓ
を満足し、
ＰSD3≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦ＰSD3／Ｄｓ＜１．０
であることが好ましい。
【００５８】
上述したように、形成位置ｍ２，ｍ３，ｍ２２に形成される焼結体２００ｓ、すなわち互いに隣り合う焼結体２００ｓのドットピッチＰSD1，ＰSD2，ＰSD3を、隣り合う焼結体２００ｓの焼結体中心の距離としてのドットピッチＰｓとすると、
Ｐｓ＜Ｄｓ
であり、
Ｐｓ≧Ｄｓ／２
であることが好ましい。すなわち、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
であることが好ましい。このような関係で、形成位置ｍ２，ｍ３，ｍ２２を中心とする焼結体２００ｓは、互いに重複部２００ｐ，２００ｑ，２００ｒを有することができる。
【００５９】
図１１は、２列目の形成位置ｍ２２に形成された焼結体２００ｓに隣り合うように形成位置ｍ２３に焼結体２００ｓが形成された形態を示す。図１１に示すように、形成位置ｍ２３に形成される焼結体２００ｓは、形成位置ｍ３と形成位置ｍ２２とに形成される焼結体２００ｓと隣り合う位置に形成される。さらに、形成位置ｍ２３に形成される焼結体２００ｓは、形成位置ｍ３と形成位置ｍ４とに形成される焼結体２００ｓと隣り合う位置に形成される。
【００６０】
形成位置ｍ２３と形成位置ｍ３と、の中心間距離をドットピッチＰSD4、形成位置ｍ４と形成位置ｍ２３と、の中心間距離をドットピッチＰSD5、形成位置ｍ２３と形成位置ｍ２２と、の中心間距離をドットピッチＰSD21、とした場合、それぞれの関係は上述した関係を満たしている。すなわち、
０．５≦ＰSD4／Ｄｓ＜１．０
０．５≦ＰSD5／Ｄｓ＜１．０
０．５≦ＰSD21／Ｄｓ＜１．０
である。これら互いに隣り合う焼結体２００ｓのドットピッチＰSD4，ＰSD5，ＰSD21を、隣り合う焼結体２００ｓの中心間距離としてのドットピッチＰｓとすると、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係となる。
【００６１】
上述したドットピッチ関係を満たしながら焼結体２００ｓを形成し、集合体の焼結単層としての部分造形物２０１を得ることができる。このようにして得られる部分造形物２０１は、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係を満足させながら、ドットピッチＰｓをより焼結体２００ｓの直径Ｄｓに近づける、すなわちＰｓ／Ｄｓを１．０に近づけることで、短時間で部分造形物２０１を形成することができ、生産性を高めることができる。またＰｓ／Ｄｓを０．５に近づけることで、隣り合う焼結体２００ｓが緻密に集合された焼結単層としての部分造形物２０１を形成することができ、精密な造形を可能とする。
【００６２】
上述した第一の単層としての部分造形物２０１に、第二の単層としての部分造形物２０２（図１参照）を積層させる場合の焼結体２００ｓの形成形態を図１２，１３に示す。なお、図１２では、説明の便宜上、第一の単層としての部分造形物２０１は２点鎖線で描き、第二の単層としての部分造形物２０２は実線で描いてある。また、部分造形物２０１に含む焼結体２００ｓの形成位置中心は「●」で表示し、部分造形物２０２に含む焼結体２００ｓの形成位置中心は「×」で表示する。
【００６３】
図１２，１３に示す第二の単層としての部分造形物２０２を形成する場合、図１０，１１を用いて説明した第一の単層としての部分造形物２０１に対して、次のように焼結体２００ｓが配置される。図１２は、第二の単層としての部分造形物２０２に含まれる焼結体２００ｓの一部として、焼結体２００ｓの形成位置ｎ１と形成位置ｎ２と、の２つの焼結体２００ｓを例示している。図１２に示すように、第二の単層としての部分造形物２０２に含まれる形成位置ｎ１に形成される焼結体２００ｓは、下層の部分造形物２０１の第１の焼結体として形成位置ｍ２に形成された焼結体２００ｓの形成位置ｍ２と、第２の焼結体として形成位置ｍ３に形成された焼結体２００ｓの形成位置ｍ３と、第３の焼結体としての形成位置ｍ２２に形成された焼結体２００ｓの形成位置ｍ２２と、を結ぶ３角形領域Ｔｒ１の平面視における領域内に、形成位置ｎ１が重なるように配置される。
【００６４】
同様に、形成位置ｎ２に形成される焼結体２００ｓは、下層の部分造形物２０１の焼結体２００ｓの形成位置ｍ３と、形成位置ｍ４と、形成位置ｍ２３と、を結ぶ３角形領域Ｔｒ２の平面視における領域内に、形成位置ｎ２が重なるように配置される。
【００６５】
さらに、形成位置ｎ１および形成位置ｎ２、および図示しない部分造形物２０２に含まれる図示されない焼結体２００ｓは、部分造形物２０１と同様に、形成位置の中心距離、すなわち隣り合う焼結体２００ｓの中心間距離としてのドットピッチＰｓが、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
の関係を同時に満足されるように、焼結体２００ｓが配置されることが好ましい。
【００６６】
このように第二の単層としての部分造形物２０２に形成される焼結体２００ｓは、例えば図１３に示すように、第一の単層としての部分造形物２０１において隣り合う焼結体２００ｓ、本例では形成位置ｍ２，ｍ３，ｍ２２に形成される焼結体２００ｓの各々のドットピッチＰｓが、焼結体２００ｓの直径Ｄｓの値と近い値で配置されると、隣り合う焼結体２００ｓの間に焼結体未形成部２００ｎが残留する場合がある。しかし、上述した図１２に示すように、部分造形物２０２に含まれる形成位置ｎ１に形成される焼結体２００ｓが、下層の部分造形物２０１に含む焼結体２００ｓの形成位置ｍ２と、形成位置ｍ３と、形成位置ｍ２２と、を結ぶ３角形領域Ｔｒ１の平面視における領域内に、形成位置ｎ１が重なるように配置されることで、図１３に示すように、形成位置ｎ１に焼結体２００ｓが形成されることで、焼結体未形成部２００ｎを埋めるように部分造形物２０２の焼結体２００ｓは形成される。これにより、３次元成形物の内部に焼結体に未成形部、言い換えると欠陥部となり得る領域を埋めながら、３次元成形物を得ることができる。
【００６７】
上述した第一の単層としての部分造形物２０１上に、第二の単層としての部分造形物２０２を積層させた後、第二の単層とした部分造形物２０２を新たな第一の単層としての部分造形物２０２として、第一の単層としての部分造形物２０２上に第二の単層としての部分造形物２０３が形成される。このように新たな第一の単層上に第二の単層を積層することを繰り返し、単層が順次形成されることで３次元形状造形物２００を得ることができる。
【００６８】
図８，９，１０で説明したように、焼結体２００ｓの配置を、ドットピッチＰｓと、焼結体２００ｓの形成直径Ｄｓと、の関係を、
０．５≦Ｐｓ／Ｄｓ＜１．０
とすることで、図９に示すＡ−Ａ´部の断面図である図１４に示すように、隣り合う焼結体２００ｓの間には重複部２００ｐ（図示する斜線ハッチング部）が生じる。
【００６９】
形成位置ｍ２の形成された焼結体２００ｓに隣り合う形成位置ｍ３に、単位材料Ｍｓが供給されると、重複部２００ｐに相当する形成位置ｍ３へ供給される単位材料Ｍｓの一部が、形成位置ｍ２に形成された焼結体２００ｓに乗り上げるように乗り上げ部２００ｔを形成し、隣り合う焼結体２００ｓによって構成される窪み２００ｈを乗り上げ部２００ｔが埋めるように形成位置ｍ３の焼結体２００ｓが形成される。
【００７０】
更に、形成位置ｍ４に形成される焼結体２００ｓにおいても、上述同様に形成位置ｍ３と、形成位置ｍ４と、に形成される焼結体２００ｓによって構成される窪み２００ｈを乗り上げ部２００ｔが埋めるよう形成位置ｍ４の焼結体２００ｓが形成される。このように、窪み２００ｈが乗り上げ部２００ｔによって埋められることにより、焼結体２００ｓの集合体である部分造形物２０１の上面をより平滑な面に形成することができる。
【００７１】
本実施例において、レーザーＬ１、レーザーＬ２の二つレーザー照射を用いた実施例にて説明したが、レーザーＬ１ひとつであってもよい。また、レーザーの照射は別配置、別タイミングにて照射する方式であってもよい。また、レーザー照射はパルス照射であっても連続照射であってもよい。
【００７２】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る３次元成形方法は、上述した第１実施形態に係る３次元成形物としての３次元形状造形物２００を形成する方法である。第２実施形態に係る３次元形状造形物２００の製造方法を示すフローチャートを図１５に示し、図１５に示すフローチャートの各工程における製造方法を図１６，１７、１８および図１９に示す。なお、第１実施形態に係る３次元形状造形物２００の説明と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００７３】
（３次元造形用データ取得工程）
図１５に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形状造形物２００の３次元造形用データを、図示しない、例えばパーソナルコンピューターなどから制御ユニット６０（図１参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）において取得された３次元造形用データは、制御ユニット６０から、ステージコントローラー６１と、材料供給コントローラー６２と、レーザー発振器５２と、に制御データが送られ、積層開始工程に移行される。
【００７４】
（積層開始工程）
積層開始工程（Ｓ２００）では、３次元形成方法を示す図１６に示すように、ステージ２０に載置された試料プレート２１に対して、所定の相対位置にヘッド３１が配置される。この時、ＸＹ平面（図１参照）において、上述した３次元造形用データに基づく造形の起点であるステージ２０の座標位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に、材料吐出部４１の吐出ノズル４１ｂの吐出口４１ｃから吐出される液滴状の被焼結材料である材料飛翔体Ｍｆ（図２参照）が着弾するように試料プレート２１を備えるステージ２０が移動され、３次元造形物の形成が開始され、単層形成工程に移行される。
【００７５】
（単層形成工程）
単層形成工程（Ｓ３００）は、図１５に示すように材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、を含んでいる。先ず、材料供給工程（Ｓ３１０）として、図１７に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル４１ｂが対向するように試料プレート２１が移動し、吐出ノズル４１ｂから、被焼結材料としての供給材料７０が、試料プレート２１上に向けて液滴状の材料飛翔体７１として吐出口４１ｃから重力方向に吐出される（図２参照）。供給材料７０としては、３次元形状造形物２００の原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練し、スラリー状（あるいはペースト状）に調整されたものである。
【００７６】
材料飛翔体７１は、試料プレート２１の上面２１ａに着弾し、単位材料としての単位液滴状材料７２（以下、単位材料７２という）として上面２１ａ上のｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置で形成され、材料供給工程（Ｓ３１０）が終了する。材料飛翔体７１は、吐出口４１ｃから重力方向に吐出され、飛翔することにより、単位材料７２は着弾すべきｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置に正確に着弾させることができる。この時、試料プレート２１は、加熱されていることが好ましい。試料プレート２１が加熱されていることにより、単位材料７２に含まれる溶剤が蒸散され、供給材料７０に比較して流動性の悪い単位材料７２となる。従って、材料飛翔体７１が試料プレート２１の上面２１ａに着弾した後、上面２１ａに沿って濡れ広がることが抑制され、単位材料７２は試料プレート２１の上面２１ａからの高さｈ１（いわゆる肉盛量）を確保することができる。
【００７７】
単位材料７２が上面２１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３２０）が開始される。焼結工程（Ｓ３２０）は、図１８に示すように、レーザー照射部５１ａ，５１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が単位材料７２に向けて重力方向に交差するように照射される（図２参照）。レーザーＬ１，Ｌ２が持つエネルギー（熱）によって単位材料７２に含まれる溶剤および増粘剤は蒸散し、金属粉末は粒子同士が結合する、いわゆる焼結されるか、もしくは熔融結合されることによって、金属塊の焼結体７３となってｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置に形成される。レーザーＬ１，Ｌ２の照射は、単位材料７２の材料組成、体積、などの条件によって照射条件が設定され、設定された照射量を単位材料７２に照射し、焼結体７３が形成された後、照射は停止される。
【００７８】
そして後述するが、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が繰り返されて、本例では第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１が形成される。部分造形物２０１は、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、がステージ２０の移動とともにｍ回繰り返され、ｍ回目の焼結体７３が、部分造形物２０１の端部となるステージ２０の座標ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）位置に形成される。
【００７９】
そこで、ｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置に焼結体７３が形成されると、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が、部分造形物２０１が形成されるまでの繰り返し数ｍ回に到達しているか、すなわち吐出ノズル４１ｂがステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）に到達しているか、を判定する形成経路確認工程（Ｓ３３０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３３０）において、繰り返し数ｍ回に到達していない、すなわち吐出ノズル４１ｂがステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図１９に示すように、再度、材料供給工程（Ｓ３１０）に移行され、ステージ２０は、次の単位材料７２の形成位置であるｐ１２（ｘ12，ｙ12）位置が吐出ノズル４１ｂに対向するように駆動される。そして、ｐ１２（ｘ12，ｙ12）位置に吐出ノズル４１ｂが対応したところで、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が実行され、ｐ１２（ｘ12．ｙ12）位置に焼結体７３が形成される。
【００８０】
焼結体７３の繰り返し形成において、単位材料７２は図２０に示すように配置、形成される。図２０，２１は、図１９に示す単位材料７２は着弾すべきｐ１１（ｘ11，ｙ11）位置を起点とし、隣り合う単位材料７２の着弾位置であるｐ１２（ｘ12，ｙ12）に着弾した単位材料７２を例示して配置、形成の形態を概念的に説明する図であり、図２０は図１９におけるヘッド３１側から試料プレート２１方向に見た平面概念図、図２１は図２０に示すＢ−Ｂ´部の断面概念図である。
【００８１】
図２０に示すように、着弾位置すなわち焼結体７３の形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に直径がＤｍの単位材料７２が形成され、レーザーＬ１，Ｌ２の照射によって焼結体７３が形成される。レーザーＬ１，Ｌ２の照射によって単位材料７２を焼結することにより、単位材料７２に含まれるバインダーが蒸散されることにより収縮し、焼結体７３の直径は単位材料７２の直径Ｄｍ（以下、単位材料径Ｄｍという）より小さい焼結体径Ｄｓに形成される。
【００８２】
そして、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に形成された焼結体７３に距離Ｐｍを離間させて隣り合う、形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に単位材料７２が配置、形成される。以下、距離Ｐｍを吐出ドットピッチＰｍという。吐出ドットピッチＰｍ１は、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に形成された焼結体７３と、形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に吐出配置される単位材料７２と、の間に単位材料７２が配置されない領域が生じないよう、重複吐出部７２ａが形成される。すなわち、単位材料径Ｄｍに対して吐出ドットピッチＰｍは、
Ｐｍ＜Ｄｓ
の条件を満たして配置されることが好ましい。
【００８３】
このように吐出ドットピッチＰｍの間隔で単位材料７２が配置されると、図２１に示すように、形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に吐出された単位材料７２の重複吐出部７２ａに相当する量の材料は、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）の形成された焼結体７３に乗り上げるように乗り上げ部７２ｂを形成する。そして、焼結されることにより形成位置ｐ１２（ｘ12，ｙ12）に形成される焼結体７３は、乗り上げ部７３ｂを形成し、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11）に形成された焼結体７３と一体化した焼結層を形成する。従って、焼結体７３の未形成部が生じないようにするためには、更に、
Ｐｍ＜（Ｄｍ＋Ｄｓ）／２
を満足させることが尚好ましい。
【００８４】
そして、図２２に示すように、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、がｍ回繰り返されることにより、部分造形物２０１が形成される。そして、繰り返し数ｍ回目となる吐出ノズル４１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標ｐEND＝ｐ１ｍ（ｘ1m，ｙ1m）位置にあるか確認され、「ＹＥＳ」と判定されると、単層形成工程（Ｓ３００）が終了する。
【００８５】
（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ３００）によって、第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１が形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）によって得られた造形データと比較する積層数比較工程（Ｓ４００）に移行される。積層数比較工程（Ｓ４００）では、３次元形状造形物２００を構成する部分造形物の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ４００）の直前の単層形成工程（Ｓ３００）までで積層された部分造形物の積層数ｎと、を比較する。
【００８６】
積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎと判定された場合、３次元形状造形物２００の形成が完了したと判定し、３次元形成は終了する。しかし、ｎ＜Ｎと判定された場合、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２の形成方法を示す断面図である図２３に示すように、再度、積層開始工程（Ｓ２００）が実行される。このとき、ステージ２０は、吐出口４１ｃおよびレーザー照射部５１ａ，５１ｂと、第１層の部分造形物２０１の厚みｈ１相当分が離間するように、Ｚ軸方向に移動される。更に３次元造形データに基づく第２層目の造形の起点であるステージ２０の座標位置ｐ２１（ｘ21，ｙ21）に、材料吐出部４１の吐出ノズル４１ｂの吐出口４１ｃから吐出される液滴状の被焼結材料である材料飛翔体７１（図２参照。図２に示す材料飛翔体Ｍｆに相当。）が着弾するように試料プレート２１を備えるステージ２０が移動され、３次元造形物の第２層目の形成が開始され、第２層目の単層形成工程（Ｓ２００）に移行される。
【００８７】
以降、上述した第１層目の部分造形物２０１の形成を示す図１６，１７，１８，１９，２２と同様に、単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。先ず、材料供給工程（Ｓ３１０）として、図２４に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル４１ｂが対向するようにステージ２０の移動に伴って試料プレート２１が移動し、吐出ノズル４１ｂから、被焼結材料としての供給材料７０が、第１層目の部分造形物２０１の上部２０１ａに向けて液滴状の材料飛翔体７１として吐出口４１ｃから吐出される。
【００８８】
材料飛翔体７１は、部分造形物２０１の上部２０１ａに着弾し、単位材料７２として上部２０１ａに配置され、ｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置での材料供給工程（Ｓ３１０）が終了し、部分造形物２０１の上部２０１ａに高さｈ２（いわゆる肉盛量）を単位材料７２が形成される。この、部分造形物２０１上に配置される単位材料７２は、図２５に示すように配置される。
【００８９】
図２５は、図２４に示す部分造形物２０１の上面２０１ａ上に着弾すべきｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置に第２層目の部分造形物２０２を構成する単位材料７２が、下層の部分造形物２０１の一部を構成する互いに隣り合う形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）の３つの焼結体７３に着弾させた状態を例示して配置、形成の形態を概念的に説明する平面概念図である。なお、説明の便宜上、第１層目の部分造形物２０１を構成する焼結体７３は２点鎖線で描き、第２層目の部分造形物２０２を形成する単位材料７２は実線で描いてある。また、部分造形物２０１に含む焼結体７３の形成位置座標ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）は「●」で表示し、部分造形物２０２を形成する単位材料７２の形成位置座標ｐ２１（ｘ21，ｙ21）は「×」で表示する。
【００９０】
図２５に示すように、第２層目の部分造形物２０２を構成する単位材料７２の形成位置ｐ２１（ｘ21，ｙ21）は、下層の部分造形物２０１の一部を構成する互いに隣り合う焼結体７３の形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）を繋ぐ三角形領域Ｔｒ（網掛けハッチング部）に重なるように配置される。この時、互いに隣り合う焼結体７３の形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）のそれぞれの距離Ｐｍ１，Ｐｍ２，Ｐｍ３と、焼結体７３の焼結径Ｄｓと、は、
Ｐｍ１＜Ｄｓ
Ｐｍ２＜Ｄｓ
Ｐｍ３＜Ｄｓ
の条件が満足されて形成さている。
【００９１】
このように第２層目の部分造形物２０２を構成する単位材料７２が配置されることによって、第１層目の部分造形物２０１において、形成位置ｐ１１（ｘ11，ｙ11），ｐ１２（ｘ12，ｙ12），ｐ１３（ｘ13，ｙ13）に形成された隣り合う焼結体７３によって未重複部が生じても、第２層目の部分造形物２０２を形成する単位材料７２が上層に重複して形成されることで、３次元形状造形物２００内部に未形成部によって生じる内部空隙などの欠陥部の発生を防止することができる。
【００９２】
単位材料７２が部分造形物２０１の上部２０１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３２０）が開始される。焼結工程（Ｓ３２０）は、図２６に示すように、レーザー照射部５１ａ，５１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が単位材料７２に向けて照射され、レーザーＬ１，Ｌ２が持つエネルギー（熱）によって単位材料７２は焼結されて焼結体７３となる。そして、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が繰り返されて、第１層目の部分造形物２０１の上部２０１ａ上に、第２層目の部分造形物２０２が形成される。部分造形物２０２は、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、がステージ２０の移動とともにｍ回繰り返され、ｍ回目の焼結体７３が、部分造形物２０１の端部となるステージ２０の座標ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）位置に形成される。
【００９３】
そこで、ｐ２１（ｘ21，ｙ21）位置に焼結体７３が形成されると、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が、第２層目の部分造形物２０２が形成されるまでの繰り返し数ｍ回に到達しているか、すなわち吐出ノズル４１ｂにステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）に到達しているか、を判定する形成経路確認工程（Ｓ３３０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３３０）において、繰り返し数ｍ回に到達していない、すなわち吐出ノズル４１ｂにステージ２０の座標位置ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図２７に示すように、再度、材料供給工程（Ｓ３１０）に移行され、ステージ２０は、次の単位材料７２の形成位置であるｐ２２（ｘ22，ｙ22）位置が吐出ノズル４１ｂに対向するように駆動される。そして、ｐ２２（ｘ22，ｙ22）位置に吐出ノズル４１ｂが対応したところで、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が実行され、ｐ２２（ｘ22．ｙ22）位置に単位焼結体７３が形成される。
【００９４】
そして、図２８に示すように、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、がｍ回繰り返されることにより、第２層目の部分造形物２０２が形成される。そして、繰り返し数ｍ回目となる吐出ノズル４１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標ｐEND＝ｐ２ｍ（ｘ2m，ｙ2m）位置にあるか確認され、「ＹＥＳ」と判定されると、第２層目の単層形成工程（Ｓ３００）が終了する。
【００９５】
そして、再度、積層数比較工程（Ｓ４００）に移行し、ｎ＝Ｎとなるまで、積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、が繰り返され、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００を用いて３次元形状造形物を形成することができる。なお、第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１の上に、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２を形成する積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、を実行させることを上述の適用例における積層工程とよび、積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎ、と判定されるまで繰り返される。
【００９６】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る３次元形成方法について説明する。上述した第２実施形態に係る３次元形成方法において、３次元形状造形物がオーバーハング部を有する場合、オーバーハング部では、上述した単層形成工程（Ｓ３００）における材料供給工程（Ｓ３１０）では、材料飛翔体７１が着弾すべき下層の部分造形物が存在しないことで、単位材料７２が形成されなくなる（図２４参照）。仮に、図２７に示すｐ２１（ｘ21、ｙ21）位置に形成された単位焼結体７３に重なって繋がるように単位材料７２を着弾させても、下層の部分造形が配置されていなければ、重力方向へ垂れ下がるように変形する虞がある。すなわち焼結前の単位材料７２は、原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の柔らかな状態のものであることによる。
【００９７】
そこで、第３実施形態に係る３次元形成方法によりオーバーハング部を変形させないで３次元形状造形物を形成する方法を説明する。なお、第３実施形態に係る３次元形成方法と同じ工程には同じ符号を付し、説明は省略する。また、説明を簡略にするために図２９に示すような、単純な形状を有する３次元形状造形物３００を例示して、第３実施形態に係る３次元形成方法を説明するが、この形状に限定されず、いわゆるオーバーハング部を備える造形物であれば適用できる。
【００９８】
図２９に示すように、３次元形状造形物３００は、円柱形の凹部３００ａを有する円柱形の基部３００ｂの凹部開口側端部に基部３００ｂの外側に延在するオーバーハング部としての円形外形を有する鍔部３００ｃを備えている。この３次元形状造形物３００を、第３実施形態に係る３次元形成方法に基づいて形成するために、形成過程において除去されるサポート部３１０が、鍔部３００ｃの図示下部方向に基部３００ｂの底部に至るまでの造形用データが、３次元形状造形物３００の３次元造形用データに加えて作成される。
【００９９】
図３０は、図２９に示す３次元形状造形物３００の形成方法を示すフローチャートである。また図３１，３２，３３，３４は図３０に示すフローチャートによる３次元形状造形物３００の形成工程を示す断面図である。また、本実施形態の３次元形状造形物３００では、４層が積層されて形成される例を用いて説明するが、これに限定されるものではない。
【０１００】
先ず、図３１に示すように、図示しない試料プレート２１上に第１層目となる部分造形物３０１が、第２実施形態に係る３次元形成方法によって形成される。部分造形物３０１を形成する工程内に、第１層目の部分サポート部３１１も形成される。部分サポート部３１１は、図１８及び図１９によって説明した単層形成工程（Ｓ３００）における焼結工程（Ｓ３２０）は実行されず、単位材料７２の状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。
【０１０１】
引き続き、単層形成工程（Ｓ３００）が繰り返され、図３２に示すように、第２層目および第３層目となる部分造形物３０２，３０３が形成される。そして、部分造形物３０２，３０３を形成する工程内に、第２層目および第３層目の部分サポート部３１２，３１３も形成される。部分サポート部３１２，３１３は、部分サポート部３１１と同様に、単層形成工程（Ｓ３００）における焼結工程（Ｓ３２０）は実行されず、供給材料７０の状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ３００）が実行され、部分サポート部３１１，３１２，３１３によって、サポート部３１０が形成される。
【０１０２】
次に図３３に示すように、鍔部３００ｃに形成される第４層目の部分造形物３０４が形成される。部分造形物３０４は、部分サポート部３１１，３１２，３１３によって形成されたサポート部３１０の端面３１０ａに支持されるように形成される。このように部分造形物３０４を形成することにより、単位材料７２（図２４参照）が着弾する面として端面３１０ａが形成されていることで、正確に鍔部３００ｃとなる第４層目の部分造形物３０４を形成することができる。
【０１０３】
そして、図３４に示すように、３次元形状造形物３００に造形されたところで、サポート部除去工程（Ｓ５００）によって、サポート部３１０は３次元形状造形物３００から除去される。サポート部３１０は焼成されていない材料で形成されていることから、サポート部除去工程（Ｓ５００）におけるサポート部３１０の除去手段としては、例えば図３４に示すように鋭利な刃物Ｋｎによる物理的な切除が可能である。あるいは、溶剤に浸漬し、材料に含まれる増粘剤を溶解し３次元形状造形物３００から除去してもよい。
【０１０４】
上述したように、オーバーハング部としての鍔部３００ｃを有する３次元形状造形物３００を形成する場合、鍔部３００ｃを支持するサポート部３１０を３次元形状造形物３００の形成と合わせて形成することにより、鍔部３００ｃの重力方向への変形を防止することができる。なお、図２９に示すサポート部３１０は、図示するような鍔部３００ｃを全面でサポート（支持）する形態に限定されず、造形物の形状、材料組成などによって適宜、形状、大きさ等が設定される。
【０１０５】
なお、本発明の実施の際の具体的な構成は、本発明の目的を達成できる範囲で他の装置、あるいは方法に適宜変更できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…基台、１１…駆動装置、２０…ステージ、２１…試料プレート、３０…ヘッド支持部、３１…ヘッド、３２…支持アーム、４０…材料供給装置、４１…材料吐出部、４２…材料供給ユニット、５０…レーザー照射装置、５１…レーザー照射部、５２…レーザー発振器、６０…制御ユニット、６１…ステージコントローラー、６２…材料供給コントローラー、１０００…３次元形成装置。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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