(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料を堆積して形成された材料層（ｎ）の表面に、第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（ｎ）を形成する工程と、
この生成層（ｎ）の表面を含む平面上に、第１の材料を堆積して材料層（ｎ＋１）を形成するとともに、この材料層（ｎ＋１）の表面に、第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（ｎ＋１）を積層形成する工程とを含むことを特徴とする三次元自由造形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元自由造形方法であって、
前記第１の材料は粉末状であり、前記第２の材料は溶融状態で吐出されることを特徴とする三次元自由造形方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元自由造形方法であって、
前記反応生成物中に、チタン、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、バナジウム、モリブデン、コバルト、鉄、銅、タングステン、クロム、マンガン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、スズ、アンチモン、セレン、テルル、ビスマス、ゲルマニウム、ケイ素、炭素、ホウ素、硫黄、リンおよび窒素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素が含有されていることを特徴とする三次元自由造形方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の三次元自由造形方法であって、
前記第１の材料および前記第２の材料の少なくとも一方が、複数の物質の混合物から構成されていることを特徴とする三次元自由造形方法。
【請求項５】
請求項４に記載の三次元自由造形方法であって、
前記複数の物質の少なくとも１種の存在量が部分的に異なるように三次元形状物を造形することを特徴とする三次元自由造形方法。
【請求項６】
請求項４に記載の三次元自由造形方法であって、
前記複数の物質の少なくとも１種の存在量が、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の少なくとも一方向において連続的または段階的に変化するように三次元形状物を造形することを特徴とする三次元自由造形方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の三次元自由造形方法を実施するための三次元自由造形装置であって、
造形物を載置するための造形台（１０）と、
この造形台（１０）の上方に配置され、当該造形台（１０）の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に第１の材料を堆積して材料層を形成するための堆積部（２０）と、
前記造形台（１０）の上方に配置され、前記材料層の表面に第２の材料を選択的に吐出するための吐出部（３０）とを備えていることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項８】
請求項７に記載の三次元自由造形装置であって、
前記造形台（１０）がＺ方向に移動可能であり、
前記堆積部（２０）がＸ方向および／またはＹ方向に移動可能であり、
前記吐出部（３０）がＸ方向およびＹ方向に移動可能であることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項９】
請求項７に記載の三次元自由造形装置であって、
前記造形台（１０）が固定され、
前記堆積部（２０）がＸ方向および／またはＹ方向に移動可能であり、
前記吐出部（３０）がＸ方向およびＹ方向およびＺ方向に移動可能であることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）、前記堆積部（２０）および前記吐出部（３０）を収容する容器（４０）と、この容器（４０）内を加熱する熱源（４１）と、前記容器（４０）内を真空状態とするための排気手段（４２）とを備えていることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項９の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）、前記堆積部（２０）および前記吐出部（３０）を収容する容器（４０）と、この容器（４０）内を加熱する熱源（４１）と、前記容器（４０）内の雰囲気ガスを循環させるガス循環手段（４３）とを備えていることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、造形台（１０）の動作、吐出部（３０）の動作、堆積部（２０）の動作および造形環境を制御することのできる制御手段（５０）を備えていることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１３】
請求項７乃至請求項１２の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記堆積部（２０）は、燃焼合成反応に関与する第１の材料と、燃焼合成反応に関与しない第３の材料との混合物を堆積して材料層を形成することを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１４】
請求項７乃至請求項１２の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記吐出部（３０）は、燃焼合成反応に関与する第２の材料と、燃焼合成反応に関与しない第３の材料との混合物を選択的に吐出することを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１５】
請求項７乃至請求項１２の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）の上方に配置され、当該造形台（１０）の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に任意の材料を堆積することにより、当該任意の材料と、前記堆積部（２０）により堆積される第１の材料との混合物からなる材料層を形成するための第２の堆積部（２６）を備えていることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の三次元自由造形装置であって、
前記第２の堆積部（２６）により堆積される任意の材料が、前記堆積部（２０）により堆積される第１の材料の構成物質とは異なる、燃焼合成反応に関与する物質からなることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の三次元自由造形装置であって、
前記第２の堆積部（２６）により任意の材料が、燃焼合成反応に関与しない第３の材料であることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の三次元自由造形方法を実施するための三次元自由造形装置であって、
中心軸（１００）の周りに回転可能な造形台（２１０）と、
この造形台（２１０）の上方に配置され、任意の材料を堆積して材料層を形成するための堆積部（２２０）と、
前記造形台（２１０）の上方に配置され、前記材料層の表面に任意の材料を選択的に吐出するための吐出部（２３０）とを備えていることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の三次元自由造形装置であって、
前記造形台（２１０）が、Ｚ方向に移動可能であり、
前記堆積部（２２０）が、水平面の一方向に移動可能であり、
前記吐出部（２３０）が、水平面の一方向に移動可能であることを特徴とする三次元自由造形装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の三次元自由造形装置であって、
前記造形台（２１０）が、Ｚ方向に固定され、
前記堆積部（２２０）が、水平面の一方向およびＺ方向に移動可能であり、
前記吐出部（２３０）が、水平面の一方向およびＺ方向に移動可能であることを特徴とする三次元自由造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元自由造形方法および三次元自由造形装置に関し、更に詳しくは、燃焼合成反応による反応生成物から実質的に構成される三次元形状物を造形するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の自動車・船舶・航空宇宙機器などの輸送機関またはエネルギプラントの熱機関などに適用される構造材料には、軽量で、良好な耐熱性を有していることが必要とされる。
このような要件を具備する材料として、アルミナイド系の金属間化合物が知られており、当該金属間化合物について、組成・組織の最適化・高性能化や所望の三次元形状物を得るための加工方法など実用化に向けた研究が各国で行われている。例えば、ＮｉＡｌやＴｉＡｌなどの金属間化合物においては、８００〜１２００℃の高温環境下で使用できる耐熱性材料として、エンジン部品や宇宙航空機機体部品などへの応用を目指した開発が行われている。
従来、金属間化合物からなる三次元形状物は、鋳造法、鋳造物の塑性加工や機械加工、あるいは粉末冶金法により製造されている。
【０００３】
しかしながら、金属間化合物は延性が小さくて加工がきわめて困難であり、かかる金属間化合物の成形加工には、煩雑な工程と多くのエネルギが必要となる。
このため、金属間化合物および当該金属間化合物の原料となる金属粉末の組成・組織の改質方法、溶解鋳造・鍛造・延伸などの塑性加工法を応用する開発が行われてきているが、所望の三次元形状物を得るための加工方法などは未だ確立されていない。
【０００４】
上記のような問題に対し、金属間化合物からなる三次元模型を光造形法により作製することが試みられ、光（レーザ）照射による加熱と、燃焼合成反応による反応熱とを併用する実験が紹介されている〔紙谷、山田、丸谷：「燃焼合成反応を援用したセラミック模型のレーザー造形」（第１６回ラピッド・プロトタイピング・シンポジウム予稿集，第８１頁〜第８４頁（１９９５．５））〕。
【０００５】
この試みは、燃焼合成反応しうる１種以上の粉末状物質を堆積して材料層を形成し、この層の表面に選択的に光照射することにより、光照射領域において燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層を積層形成するものである。
【０００６】
しかしながら、上記の報告においては、燃焼合成反応による発熱量の制御が困難であり、熱暴走によって光照射領域以外でも燃焼合成反応が生じるなど、この結果、所望の形状の造形物を得ることは困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような事情に基いてなされたものである。
本発明の第１の目的は、金属間化合物からなる三次元形状物を少ないエネルギによって短時間で造形することができる新規な造形方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、金属間化合物からなる三次元形状物が複雑な形状を有するものであっても、短時間で確実に造形することができる造形方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、上記の造形方法を確実に実施することができる造形装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る三次元自由造形方法は、第１の材料を堆積して形成された材料層（ｎ）の表面に、第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（ｎ）を形成する工程と、この生成層（ｎ）の表面を含む平面上に、第１の材料を堆積して材料層（ｎ＋１）を形成するとともに、この材料層（ｎ＋１）の表面に、第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（ｎ＋１）を積層形成する工程とを含むことを特徴とする。
ここに、「生成層（ｎ）の表面を含む平面」とは、生成層（ｎ）の表面と、材料層（ｎ）の残留部分の表面とからなる平面（Ｘ−Ｙ平面）をいうものとする。
【００１０】
請求項２に係る三次元自由造形方法は、請求項１に記載の三次元自由造形方法であって、前記第１の材料が粉末状であり、前記第２の材料が溶融状態で吐出されることを特徴とする。
請求項３に係る三次元自由造形方法は、請求項１または請求項２に記載の三次元自由造形方法であって、前記反応生成物中に、チタン、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、バナジウム、モリブデン、コバルト、鉄、銅、タングステン、クロム、マンガン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、スズ、アンチモン、セレン、テルル、ビスマス、ゲルマニウム、ケイ素、炭素、ホウ素、硫黄、リンおよび窒素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素が含有されていることを特徴とする。
請求項４に係る三次元自由造形方法は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の三次元自由造形方法であって、前記第１の材料および前記第２の材料の少なくとも一方が、複数の物質の混合物から構成されていることを特徴とする。
請求項５に係る三次元自由造形方法は、請求項４に記載の三次元自由造形方法であって、前記複数の物質の少なくとも１種の存在量が部分的に異なるように三次元形状物を造形することを特徴とする。
請求項６に係る三次元自由造形方法は、請求項４に記載の三次元自由造形方法であって、前記複数の物質の少なくとも１種の存在量が、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の少なくとも一方向において連続的または段階的に変化するように三次元形状物を造形することを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る三次元自由造形装置は、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の造形方法を実施するための三次元自由造形装置であって、造形物を載置するための造形台（１０）と、この造形台（１０）の上方に配置され、当該造形台（１０）の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面（生成層の表面および残留する材料層の表面）上に第１の材料を堆積して材料層を形成するための堆積部（２０）と、前記造形台（１０）の上方に配置され、前記材料層の表面に第２の材料を選択的に吐出するための吐出部（３０）とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に係る三次元自由造形装置は、請求項７に記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）がＺ方向に移動可能であり、前記堆積部（２０）がＸ方向および／またはＹ方向に移動可能であり、前記吐出部（３０）がＸ方向およびＹ方向に移動可能であることを特徴とする。
請求項９に係る三次元自由造形装置は、請求項７に記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）が固定され、前記堆積部（２０）がＸ方向および／またはＹ方向に移動可能であり、前記吐出部（３０）がＸ方向およびＹ方向およびＺ方向に移動可能であることを特徴とする。
また、前記堆積部（２０）がＺ方向に移動可能であってもよい。
【００１３】
請求項１０に係る三次元自由造形装置は、請求項７乃至請求項９の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）、前記堆積部（２０）および前記吐出部（３０）を収容する容器（４０）と、この容器（４０）内を加熱する熱源（４１）と、前記容器（４０）内を真空状態とするための排気手段（４２）とを備えていることを特徴とする。
請求項１１に係る三次元自由造形装置は、請求項７乃至請求項９の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）、前記堆積部（２０）および前記吐出部（３０）を収容する容器（４０）と、この容器（４０）内を加熱する熱源（４１）と、前記容器（４０）内の雰囲気ガスを循環させるガス循環手段（４３）とを備えていることを特徴とする。
請求項１２に係る三次元自由造形装置は、請求項７乃至請求項１１の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、造形台（１０）の動作、吐出部（３０）の動作、堆積部（２０）の動作および造形環境を制御することのできる制御手段（５０）を備えていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１３に係る三次元自由造形装置は、請求項７乃至請求項１２の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記堆積部（２０）が、燃焼合成反応に関与する第１の材料と、燃焼合成反応に関与しない第３の材料との混合物を堆積して材料層を形成することを特徴とする。
請求項１４に係る三次元自由造形装置は、請求項７乃至請求項１２の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記吐出部（３０）が、燃焼合成反応に関与する第２の材料と、燃焼合成反応に関与しない第３の材料との混合物を選択的に吐出することを特徴とする。
【００１５】
請求項１５に係る三次元自由造形装置は、請求項７乃至請求項１２の何れかに記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（１０）の上方に配置され、当該造形台（１０）の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に任意の材料を堆積することにより、当該任意の材料と、前記堆積部（２０）により堆積される第１の材料との混合物からなる材料層を形成するための第２の堆積部（２６）を備えていることを特徴とする。
請求項１６に係る三次元自由造形装置は、請求項１５に記載の三次元自由造形装置であって、前記第２の堆積部（２６）により堆積される任意の材料が、前記堆積部（２０）により堆積される第１の材料の構成物質とは異なる、燃焼合成反応に関与する物質からなる材料（第１の材料）であることを特徴とする。
請求項１７に係る三次元自由造形装置は、請求項１５に記載の三次元自由造形装置であって、前記第２の堆積部（２６）により任意の材料が、燃焼合成反応に関与しない第３の材料であることを特徴とする。
【００１６】
請求項１８に係る三次元自由造形装置は、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の三次元自由造形方法を実施するための三次元自由造形装置であって、中心軸（１００）の周りに回転可能な造形台（２１０）と、この造形台（２１０）の上方に配置され、任意の材料を堆積して材料層を形成するための堆積部（２２０）と、前記造形台（２１０）の上方に配置され、前記材料層の表面に任意の材料を選択的に吐出するための吐出部（２３０）とを備えていることを特徴とする。
請求項１９に係る三次元自由造形装置は、請求項１８に記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（２１０）が、Ｚ方向に移動可能であり、前記堆積部（２２０）が、水平面の一方向に移動可能であり、前記吐出部（２３０）が、水平面の一方向に移動可能であることを特徴とする。
請求項２０に係る三次元自由造形装置は、請求項１８に記載の三次元自由造形装置であって、前記造形台（２１０）が、Ｚ方向に固定され、前記堆積部（２２０）が、水平面の一方向およびＺ方向に移動可能であり、前記吐出部（２３０）が、水平面の一方向およびＺ方向に移動可能であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の造形方法は、燃焼合成反応による反応生成物を含有する生成層を逐次積層する工程を含む点に特徴を有する。
ここに、「反応生成物を含有する生成層」とは、当該反応生成物から実質的に構成される生成層をいうものとし、当該生成層中には、未反応の材料（第１の材料および／または第２の材料）が僅かに残留していてもよく、また、後述する第３の材料が含有されていてもよい。
【００１８】
＜燃焼合成反応＞
本発明の造形方法に適用される「燃焼合成法」（Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，もしくはＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）は、高い反応熱を伴って化合物の生成反応が短時間に自発的に進行するプロセスであり、この燃焼合成法によれば、高融点セラミックスや金属間化合物を容易に合成することができる。燃焼合成の原理は、旧ソ連のメルジャーノフ等によって１９６７年に発見され、それ以降、理論的研究と応用への開発が進められている（日本金属学会会報第３２巻第１２号８４５頁）。
【００１９】
燃焼合成反応を利用する本発明の造形方法によれば、材料自体の反応熱を生成層の形成（燃焼合成反応の伝播）に有効に利用することができるので、少ない消費エネルギで三次元形状物の造形を確実に行うことができる。
ここに、燃焼合成反応による金属間化合物の生成熱は１００ｋＪ／ｍｏｌ前後であり、化合時に１５００〜２０００℃の発熱反応を伴うことにより、合成反応が自発的に進行し、溶製法のように外部からの加熱を必要としない。
【００２０】
三次元形状物を構成する反応生成物中には、チタン、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、バナジウム、モリブデン、コバルト、鉄、銅、タングステン、クロム、マンガン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、スズ、アンチモン、セレン、テルル、ビスマス、ゲルマニウム、ケイ素、炭素、ホウ素、硫黄、リンおよび窒素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素が含有されていることが好ましい。これらは、第１の材料または第２の材料に由来する物質、あるいは雰囲気ガスに由来する物質として導入される。
【００２１】
＜積層造形法＞
本発明の造形方法（積層造形法）の一例を以下に示す。
先ず、造形台（ステージ）の表面に第１の材料を堆積して材料層（１）を形成するとともに、この材料層（１）の表面に、ＣＡＤデータ（スライスデータ）に従って、第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（１）を造形台上に形成する。
【００２２】
次に、この生成層（１）の表面を含む平面上に、第１の材料を堆積して材料層（２）を形成するとともに、この材料層（２）の表面に、ＣＡＤデータに従って第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（２）を積層形成する。この生成層（２）は生成層（１）の表面に強固に接合される。
【００２３】
次に、この生成層（２）の表面を含む平面上に、第１の材料を堆積して材料層（３）を形成するとともに、この材料層（３）の表面に、ＣＡＤデータに従って第２の材料を選択的に吐出することにより、吐出領域において第１の材料と第２の材料との燃焼合成反応を生じさせ、この反応生成物を含有する生成層（３）を積層形成する。この生成層（３）は生成層（２）の表面に強固に接合される。
【００２４】
以下、同様に、生成層（ｎ）の積層を繰り返すことにより、生成層間が強固に接合された積層体からなる三次元形状物を得ることができる。
【００２５】
本発明において、「吐出領域」とは、第２の材料が吐出された位置を中心とする微小領域および当該微小領域が連続する線状もしくは面状の領域（目的とする三次元形状物の形状断面の一部分）をいい、前記微小領域の径は１００μｍ〜１０ｍｍとされる。そして、第１の材料および第２の材料が共に存在する当該吐出領域内でのみ燃焼合成反応が起こることにより、熱暴走などの問題が生じることはなく、所望の形状の三次元形状物を確実に造形することができる。
本発明の造形方法において、生成層の厚さは、通常１００μｍ〜１０ｍｍとされ、好ましくは１００μｍ〜１ｍｍとされる。
また、積層回数としては、前記生成層の厚さおよび造形される三次元形状物の高さによっても異なるが、例えば２〜１，０００回とされ、第１の材料の堆積厚さを高さに応じて或いは積層の途中で変えることにより、好ましくは１０〜１００回程度とされる。
【００２６】
造形台の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に堆積される第１の材料は、粉末状態であっても、溶融状態であってもよいが、粉末状態であることが好ましい。
【００２７】
また、第１の材料からなる材料層の表面に選択的に吐出される第２の材料は、粉末状態で吐出されても、溶融状態で吐出されてもよいが、溶融状態で吐出されることが好ましい。
【００２８】
吐出領域内で金属間化合物を燃焼合成しながら三次元的に自由造形する本発明の造形方法によれば、従来の方法（鋳造・鍛造、延伸などの加工法および煩雑な工程を含む冶金的手法）では不可能であった金属間化合物（高強度高融点材料）の緻密な自由造形を行うことが可能となる。
【００２９】
アルミナイド系金属間化合物の燃焼合成の一例としては、粒径５μｍのニッケル粉末（第１の材料）を堆積して直径約１０ｍｍ、厚さ約６ｍｍの材料層を形成し、当該材料層の表面に、６７０〜１２００℃の温度で溶融状態とされたアルミニウムの液滴（第２の材料）を、前記ニッケル粉末と等しいモル比率で滴下（吐出）すると、吐出領域において前記ニッケル粉末と前記溶融アルミニウムとの燃焼合成反応が生じ、反応生成物として、粒状の金属間化合物が得られる。
【００３０】
ここに、反応生成物である金属間化合物の組成および気孔の残存性（空隙率）は、滴下される溶融アルミニウムの温度に依存する。
すなわち、溶融アルミニウムの温度が８００℃以上であると、ニッケルとアルミニウムとが１：１のモル比率で結合された金属間化合物（ＮｉＡｌ）が生成され、溶融アルミニウムの温度が６７０〜７００℃であると、燃焼合成反応が不完全となり、ＮｉＡｌとともにＮｉ3 ＡｌやＮｉＡｌ3 などの金属間化合物も生成される。なお、不完全反応の生成物であるＮｉ3 ＡｌやＮｉＡｌ3 などを含む化合物相を１２００℃で２時間以上保持することにより、ＮｉＡｌの単相を得ることができる。
【００３１】
一方、金属間化合物の気孔の残存性に着目すると、溶融アルミニウムの温度が８００℃であるときに生成される金属間化合物（ＮｉＡｌの単相）の空隙率は３５体積％であり、溶融アルミニウムの温度が１２００℃であるときに生成される金属間化合物（ＮｉＡｌの単相）は、その密度が理論密度とほぼ等しく、空隙率は無視できる程に小さくなる。
【００３２】
なお、第１の材料としてチタン粉末を使用することにより、ＴｉＡｌ系の金属間化合物（ＴｉＡｌ，Ｔｉ3 Ａｌ，ＴｉＡｌ3 ）を含む三次元形状物を得ることができる。
【００３３】
溶融アルミニウムと金属粉末との反応制御に関して、反応域、生成相の密度、組織制御なども造形特性の重要な因子となる。これらの制御には、溶融アルミニウムおよび造形台の温度、溶融アルミニウムの液滴サイズ、滴下速度、金属粉末の粒子径との関係を最適化し反応制御を行うことが好ましい。
【００３４】
本発明の造形方法により得られる三次元形状物は、金属間化合物に対する従来の方法（鋳造・鍛造、延伸などの加工法および煩雑な工程を含む冶金的手法）では、造形することが不可能またはきわめて困難であった複雑な形状を有する各種の製品（最終製品および構成部品）に適用することができる。かかる製品としては、硝子・セラミックス・プラスチックス・金属部品等の金型、通気孔付きガスタービンプレード、耐熱ノズル、高性能金属部品、耐食コーティング部品などを例示することができる。
【００３５】
＜具体的な積層造形法＞
本発明の造形方法は、反応生成物を含有する生成層（ｎ）の表面を含む平面上に、第１の材料を堆積して材料層（ｎ＋１）を形成し、この材料層（ｎ＋１）の表面に、第２の材料を選択的に吐出することにより、反応生成物を含有する生成層（ｎ＋１）を積層形成する工程とを含むものであるが、本発明においては、第１の材料の堆積による材料層（ｎ＋１）の積層形成と、第２の材料の吐出による生成層（ｎ＋１）の積層形成とを並行して行ってもよい。すなわち、材料層（ｎ＋１）の一部を積層形成した段階で、当該材料層（ｎ＋１）の一部の表面に第２の材料を選択的に吐出して生成層（ｎ＋１）の一部を積層形成してもよい。
【００３６】
図１は、そのような工程の一例を示すものである。
図１（ａ）に示すように、燃焼合成反応で生成されたＮｉＡｌからなる生成層（ｎ）の表面の一部に、第１の材料であるニッケル粉末を堆積して材料層（ｎ＋１）の一部Ａ１を形成し、この材料層（ｎ＋１）の一部Ａ１の表面に、第２の材料である溶融アルミニウムを選択的に滴下する。
これにより、滴下領域（吐出領域）において燃焼合成反応が生じ、図１（ｂ）に示すように、ＮｉＡｌからなる生成層（ｎ＋１）の一部Ｂ１が積層形成される。この生成層（ｎ＋１）の一部Ｂ１は、生成層（ｎ）の表面の一部に強固に接合（三次元的な層間接合）される。
【００３７】
次いで、図１（ｃ）に示すように、生成層（ｎ）の表面の残部に、ニッケル粉末を堆積して材料層（ｎ＋１）の残部Ａ２を形成し、この材料層（ｎ＋１）の残部Ａ２の表面に溶融アルミニウムを選択的に滴下する。
これにより、滴下領域（吐出領域）において燃焼合成反応が生じ、図１（ｄ）に示すように、ＮｉＡｌからなる生成層（ｎ＋１）の残部Ｂ２が積層形成される。この生成層（ｎ＋１）の残部Ｂ２は、生成層（ｎ）の表面の残部に強固に接合（三次元的な層間接合）されるとともに、隣接する生成層（ｎ＋１）の一部Ｂ１に対しても強固に接合（二次元的な層内接合）される。
【００３８】
本発明の造形方法により得られる三次元形状物の特性に関しては、造形精度、密度、空隙率、組織、強度、靱性、熱応力、耐熱性、耐食性、研摩耗性等の最適化・制御を行う。このため、熱処理、ＨＩＰ処理、表面コーティング処理等を施すことも可能である。また、必要に応じた仕上げ加工法を追加して行うこともできる。これらにより、亀裂や破損、応力集中などを生じない複雑な精密造形が可能となる。
【００３９】
図２は、本発明の造形装置の一例の概略構成を示す説明図である。
図２に示す造形装置１は、造形台１０と、堆積部２０と、吐出部３０とを備えている。
造形台１０は、造形物を載置するためのステージであり、Ｚ方向に移動（昇降）可能に設けられ、任意の位置（レベル）に停止させることができる。
堆積部２０は、造形台１０の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に、第１の材料を堆積して材料層を形成するための手段である。この堆積部２０は、Ｘ方向に移動可能に設けられている。
吐出部３０は、堆積部２０によって形成された材料層の表面に、第２の材料を選択的に吐出するための手段であり、この吐出部３０はＸ方向およびＹ方向に移動可能であり、設計データに基いて水平面上を自由に走査することができる。
【００４０】
図３は、本発明の造形装置の一例の具体的構成を示す説明用断面図である。
図３に示す造形装置１は、ＮｉＡｌを含有する生成層を積層して三次元形状物を造形する装置である。
この造形装置は、造形台１０と、堆積部２０（ニッケル粉末の堆積手段）と、吐出部３０（溶融アルミニウムの吐出手段）と、これらの構成部材を外部から気密に区画する容器４０と、この容器４０内を加熱する熱源４１と、前記容器４０内を真空状態とするときに使用する排気手段４２と、前記容器４０内に雰囲気ガスを循環させるときに使用するガス供給手段４３およびガス循環手段４４と、造形に係る一連の動作を制御する制御手段（計算制御ユニット）５０とを備えている。
【００４１】
容器４０内を加熱する熱源４１としては高周波加熱器を例示することができ、容器４０内の雰囲気温度は、温度検知器４５により計測することができる。
排気手段４２は、空気や不純物の介在を回避するなどのために容器４０内を真空状態とするときに使用され、かかる排気手段４２は、真空ポンプなどから構成される。
ガス供給手段４３およびガス循環手段４４は、容器４０内に雰囲気ガスを循環させるときに使用され、ガス循環手段４４は、送風機などから構成される。容器４０内に循環される雰囲気ガスとしては、アルゴンなどの不活性ガス、窒素などの反応性ガスを例示することができる。
【００４２】
本発明の造形装置を構成する造形台１０には、造形過程で形成された材料層を加熱するためのヒータ１２が内蔵され、造形台１０の温度は温度検知器１３により計測される。１４は、造形台１０をＺ方向に移動させるための昇降機構である。
【００４３】
本発明の造形装置を構成する堆積部２０は、ニッケル粉末（第１の材料）を収容する篩２１と、この篩２１の先端に設けられたノズル部２２と、前記篩２１を振動させる加振機構２３とを備えている。
堆積部２０は、適宜の駆動機構によってＸ方向（図面の左右方向）に移動可能である。
ここに、ノズル部２２の先端開口の形状は、円形、矩形など特に限定されるものではないが、短時間で均一な材料層を形成することができる観点からスリット状であることが好ましい。
また、堆積部２０を移動させている過程で、スリット幅を変化させることにより、ニッケル粉末の供給量を変化させてもよい。
【００４４】
本発明の造形装置を構成する吐出部３０は、溶融状態のアルミニウム（第２の材料）を保持する坩堝３１と、この坩堝３１の先端に設けられたノズル部３２と、ノズル部３２の流路を包囲するように設けられた加熱器３３と、坩堝３１の周囲に設けられた熱源３４と、吐出部３０の温度を計測する温度検知器３５と、溶融アルミニウムの微小液滴を形成するために振動予圧をかける圧電セラミック素子３６とを備えている。
【００４５】
溶融状態のアルミニウムを保持する坩堝３１内にはアルゴンガスなどの不活性ガスが充填されている。
加熱器３３は、アルミニウムを加熱溶融するための加熱手段であり、高周波加熱器または抵抗加熱器からなる。熱源３４は、坩堝３１内に保持されている溶融アルミニウムを所要の温度に維持するための熱源である。
ノズル部３２の先端開口の形状は特に限定されるものではない。また、ノズル部３２の先端開口の面積は、所要の吐出領域を形成する微小液滴が得られ、燃焼合成反応による生成層の形成が効率的に行われるよう適宜調整することができる。
吐出部３０は、適宜の駆動機構によってＸ方向（図面の左右方向）およびＹ方向（図面の前後方向）に移動可能であり、造形台１０の上方における水平面上を設計データに基いて自由に走査することができる。
【００４６】
図３に示した造形装置によれば、下記のようにして三次元形状物の造形方法（本発明の造形方法）が実施される。なお、下記に示す一連の操作は、制御手段５０により自動的に制御されている。
【００４７】
〔１〕加振機構２３により篩２１を振動させた状態で、堆積部２０を、造形台１０の表面を掃引するようＸ方向に移動させることにより、ノズル部２２から排出されたニッケル粉末を、造形台１０の表面に堆積させ、これにより、一定の厚さの材料層８１Ａを形成する。材料層８１Ａの形成後、堆積部２０をＸ方向に移動させてホームポジションに戻すか、造形台１０の周辺部（吐出部３０の動作に影響を与えない位置）に退避させる。
【００４８】
〔２〕設計データ（スライスデータ）に従って、吐出部３０をＸ方向およびＹ方向に移動させながら、材料層８１Ａの表面に、溶融アルミニウムの微小液滴を連続的または断続的に滴下（選択的に吐出）することにより、吐出領域においてニッケル粉末と溶融アルミニウムとの燃焼合成反応を生じさせ、ＮｉＡｌからなる生成層８１Ｂを造形台１０上に形成する。
なお、溶融アルミニウムの微小液滴は、圧電セラミック素子３６により振動予圧をかけることにより滴下され、液滴のサイズ（容積）、温度、滴下速度などは、制御手段５０により制御することができる。
【００４９】
〔３〕造形台１０をＺ方向に距離Ｄだけ降下させる。
【００５０】
〔４〕加振機構２３により篩２１を振動させた状態で、堆積部２０を、材料層８１Ｂの表面を掃引するようＸ方向に移動させることにより、ノズル部２２から排出されたニッケル粉末を、材料層８１Ｂの表面に堆積させ、これにより、厚さＤの材料層８２Ａを形成する。材料層８２Ａの形成後、堆積部２０をＸ方向に移動させてホームポジションに戻す。
【００５１】
〔５〕設計データ（スライスデータ）に従って、吐出部３０をＸ方向およびＹ方向に移動させながら、溶融アルミニウムの微小液滴を材料層８２Ａの表面に選択的に滴下（吐出）することにより、吐出領域においてニッケル粉末と溶融アルミニウムとの燃焼合成反応を生じさせ、ＮｉＡｌからなる生成層８２Ｂを材料層８１Ｂ上に形成する。ここに、生成層８２Ｂは、生成層８１Ｂの表面に強固に接合された状態となる。
【００５２】
〔６〕以下、同様に、生成層の積層を繰り返した後、未反応領域のニッケル粉末を除去することにより、生成層間が強固に接合（三次元的な層間接合）された積層体からなる三次元形状物を得ることができる。
【００５３】
＜変形例＞
本発明の造形装置および造形方法においては、上記の形態に限定されるものではなく、下記に示すように種々の変更が可能である。
【００５４】
〔１〕造形台はＺ方向に固定されていてもよい。かかる場合には、吐出部がＺ方向にも移動可能であることが必要とされ、堆積部がＺ方向に移動可能であってもよい。
【００５５】
〔２〕吐出部により溶融アルミニウムの微小液滴を滴下するために、圧電セラミック素子３６による振動予圧に代えて、パルスバルブによってアルゴンガスの圧力を印加してもよい。
【００５６】
〔３〕堆積部２０は、Ｙ方向（図面の前後方向）に移動可能であってもよく、また、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能で、水平面上を自由に走査することができるものであってもよい。
【００５７】
〔４〕堆積部２０により堆積される第１の材料は、ニッケル粉末と、他の金属粉末との混合物から構成されていてもよい。すなわち、第１の材料は、複数の物質の混合物から構成されていてもよい。ここに、他の金属粉末としては、アルミニウム（第２の材料の構成物質）の粉末を挙げることができる。ニッケル粉末と他の金属粉末との混合物を第１の材料として使用することにより、燃焼合成反応の反応制御を行うことができる。
【００５８】
〔５〕吐出部３０により吐出（滴下）される第２の材料は、アルミニウムと、他の金属との混合物から構成されていてもよい。すなわち、第２の材料は、複数の物質の混合物から構成されていてもよい。アルミニウムと他の金属との混合物を第２の材料として使用することにより、燃焼合成反応の反応制御を行うことができる。
【００５９】
〔６〕堆積部２０は、ニッケル粉末（燃焼合成反応に関与する第１の材料）と、燃焼合成反応に関与しない第３の材料との混合物を堆積して材料層を形成してもよい。かかる第３の材料としては、ＴｉＢ2 粉末、Ａｌ2 Ｏ3 粉末などのセラミック粉末を挙げることができる。これにより、セラミックにより強化された複合材料からなる三次元形状物を造形することができる。
【００６０】
〔７〕吐出部３０は、溶融アルミニウム（燃焼合成反応に関与する第２の材料）と、燃焼合成反応に関与しない第３の材料との混合物を選択的に吐出してもよい。かかる第３の材料としては、前記セラミック粉末を挙げることができる。これにより、セラミックにより強化された複合材料からなる三次元形状物を造形することができる。
【００６１】
〔８〕堆積部２０により形成される材料層中に、燃焼合成反応の生成物であるＮｉＡｌ粉末が希釈剤として混入されていてもよい。
【００６２】
〔９〕本発明の造形方法においては、積層される生成層のすべて、または任意の層に対して、切削、研削、研磨および酸洗などの腐食処理から選ばれた少なくとも１種の中間処理を行うことが好ましい。このような中間処理を行うことにより、最終的に得られる三次元形状物は、高い寸法精度および材料的な緻密性を有するものとなる。従って、本発明の造形装置には、これらの中間処理を行うための処理手段が設けられていることが好ましい。
【００６３】
図４（ａ）〜（ｄ）は、堆積部２０とは異なる機構によってニッケル粉末（第１の材料）を堆積する過程を示す説明図であり、同図において、１５は造形台、１５１は造形台の中央領域、１５２は造形台の周辺領域、８３Ａは材料層（第１層）、８３Ｂは生成層（第１層）、９０は擦切器、３０は吐出部である。図４に示した堆積機構によれば、下記のようにしてニッケル粉末の堆積操作が行われる。
【００６４】
（１）生成層８３Ｂの形成後、造形台１５の中央領域１５１を、形成すべき材料層（第２層）の厚みに相当する距離だけＺ方向に移動し、ニッケル粉末の堆積空間を形成する〔同図（ｂ）参照〕。
（２）ニッケル粉末Ｐを内包する擦切器９０の下方に中央領域１５１が位置するよう、造形台１５をＸ方向に移動する。これにより、擦切器９０に内包されているニッケル粉末Ｐの一部が前記堆積空間に収容される〔同図（ｃ）参照〕。
（３）造形台１５をＸ方向に移動して元の位置まで戻す。これにより、前記堆積空間から溢れるニッケル粉末Ｐが擦切器９０によって擦り切られ、周辺領域１５２のレベルに表面を有する材料層８４Ａ（第２層）が形成される〔同図（ｄ）参照〕。
【００６５】
図５は、本発明の造形装置の他の例の具体的構成を示す説明用断面図である。
図５に示す造形装置は、図３に示した造形装置に、構成要素として第２の堆積部２６が付加されている。
第２の堆積部２６は、造形台１０の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に任意の材料を堆積することにより、当該任意の材料と、堆積部２０により堆積される第１の材料との混合物からなる材料層を形成する手段である。
ここに、第２の堆積部２６により堆積される任意の材料としては、▲１▼  堆積部２０により堆積される第１の材料の構成物質とは異なる、燃焼合成反応に関与する物質からなる材料（第１の材料）、および▲２▼  燃焼合成反応に関与しない第３の材料を挙げることができ、当該第３の材料としては、セラミック粉末を例示することができる。
【００６６】
▲１▼  堆積部２０により堆積される第１の材料の構成物質とは異なる物質からなる第１の材料を第２の堆積部２６により堆積する場合には、形成される材料層において、堆積部２０により堆積される第１の材料の構成物質Ａと、第２の堆積部２６により堆積される第１の材料の構成物質Ｂとの割合（Ａ：Ｂ）が部分的に異なる三次元形状物を造形することができる。例えば、移動速度を変化させることにより、または、開口部の大きさを変化させることにより、同一の生成層間における両者の割合（Ａ：Ｂ）を連続的（傾斜的）または段階的に変化させることができる。
【００６７】
また、▲２▼  第２の堆積部２６により、第３の材料であるセラミック粉末を堆積することにより、セラミックにより強化された三次元形状物を造形することができるとともに、当該三次元形状物におけるセラミックの充填割合を任意に変化させることもできる。
なお、本発明の造形装置には、３つ以上の堆積部が設けられていてもよい。
【００６８】
図６は、本発明の造形装置の他の例の概略構成を示す説明用斜視図である。
図６に示す造形装置２００は、造形台２１０と、当該造形台２１０の上方に配置された堆積部２２０および吐出部２３０とを備えてなる。
【００６９】
造形装置２００を構成する造形台２１０は、造形物を載置するためのステージであり、中心軸１００の周り（θ方向）に回転可能であるとともに、Ｚ方向に移動（昇降）可能に設けられている。
【００７０】
堆積部２２０は、造形台２１０の表面または造形過程における生成層の表面を含む平面上に任意の材料を堆積して材料層を形成するための手段である。この堆積部２２０は、水平面上における一方向（矢印Ｒで示す方向）に移動可能に設けられている。堆積部２２０により堆積される任意の材料としては、ニッケル粉末など燃焼合成反応に関与する前記第１の材料を挙げることができる。
【００７１】
吐出部２３０は、堆積部２２０によって形成された材料層の表面に、任意の材料を選択的に吐出するための手段であり、この吐出部２３０は、堆積部２２０の移動方向と同一方向に移動可能に設けられている。吐出部２３０により選択的に吐出される任意の材料としては、溶融アルミニウムなど燃焼合成反応に関与する前記第２の材料を挙げることができる。図６に示したような造形装置によれば、可動機構が少ないために、装置全体の構成を簡素化することができる。
【００７２】
なお、造形台２１０がＺ方向に固定されていてもよく、かかる場合には、堆積部２２０および吐出部２３０をそれぞれＺ方向に移動可能とする必要がある。
また、堆積部２２０を構成するノズル部のスリット状開口の一端を前記中心軸１００上に配置した状態で当該堆積部２２０固定すれば、前記スリットの長さを半径とする円形領域において、材料層の形成を行うことができる。
【００７３】
図７は、図６に示す造形装置による造形過程の一例を示す斜視図であり、堆積部２２０によってニッケル粉末を堆積して形成した材料層８５Ａの表面に、溶融アルミニウムを選択的に吐出することにより、ＮｉＡｌ（燃焼合成反応生成物）を含有する生成層８５Ｂを形成している状態を示しており、このような造形過程を行うことにより、生成層８５Ｂが円盤状または螺旋状に積層されてなる三次元形状物を造形することができる。
【００７４】
以上において、燃焼合成反応による反応生成物を含有する生成層を積層する工程を含む実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、燃焼合成反応に関与する２種以上の粉末状物質を結着してなる三次元形状物を積層造形法により造形した後、前記２種以上の粉末状物質の燃焼合成反応を行わせ、燃焼合成反応の反応生成物を含む三次元形状物を得る方法も本発明の範囲に包含される。
すなわち、本発明の造形方法の他の実施形態は、２種以上の粉末状物質を結着して材料層を積層する工程と、得られた積層体中において前記２種以上の粉末状物質の燃焼合成反応を生じさせて当該積層体を硬化させる工程とを含むことを特徴とする。
ここに、材料層を積層する工程と、積層体を硬化させる工程との間には、通常、結着剤を脱脂する工程が含まれる。
粉末状物質を結着させるために好適な結着剤としては、当該粉末状物質に流動性を付与することのできる樹脂成分を挙げることができる。粉末状物質に流動性が付与されることにより、当該粉末状物質を比較的低温で吐出することができ、加熱器を使用する必要がなくなるため、省エネルギーの観点から好ましい。
【００７５】
かかる造形方法を実施するための造形装置としては、造形物を載置するための造形台と、この造形台の上方に配置され、２種以上の粉末状物質と樹脂との混練物を堆積するための堆積部、または前記造形台の上方に配置され、樹脂成分と粉末との混合物を選択的に吐出するための吐出部とを備えている装置を挙げることができる。ここに、「造形台」、「２種以上の粉末状物質を堆積するための堆積部」および「樹脂成分を選択的に吐出するための吐出部」としては、図２に示した造形装置を構成する「造形台１０」、「堆積部２０」および「吐出部３０」と同様のもの挙げることができる。すなわち、この造形方法を実施するために、図２および図３に示した装置を使用することも可能である。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が奏される。
〔１〕燃焼合成法によって生成層を形成することにより、材料自体の反応熱が生成層の形成（燃焼合成反応の伝播）に有効に利用され、この結果、金属間化合物などの高融点材料から構成される三次元形状物を少ない消費エネルギによって短時間で造形することができる。
〔２〕第１の材料および第２の材料が共に存在する吐出領域で燃焼合成反応を生じさせることにより、反応領域が制御されて熱暴走などの問題が生じることはなく、従来の方法（鋳造・鍛造、延伸などの加工法および煩雑な工程を含む冶金的手法）では造形することが不可能またはきわめて困難な複雑な形状を有する三次元形状物であっても、短時間で確実に造形することができる。
〔３〕設計データに忠実で寸法精度が高く、緻密性を有する金属間化合物から構成される三次元形状物を造形することができる。
〔４〕金属間化合物から構成される生成層同士が強固に接合された積層体からなる三次元形状物を得ることができる。
〔５〕第１の材料とセラミック材料との混合物を堆積して材料層を形成することにより、または、第２の材料とセラミック材料との混合物を選択的に吐出することにより、セラミックにより強化された金属間化合物から構成される三次元形状物を造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の造形方法における積層形成過程の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の造形装置の一例の概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明の造形装置の一例の具体的構成を示す説明用断面図である。
【図４】ニッケル粉末を堆積する過程の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の造形装置の他の例の具体的構成を示す説明用断面図である。
【図６】本発明の造形装置の他の例の概略構成を示す説明用斜視図である。
【図７】図６に示す造形装置による造形過程の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    造形装置
１０  造形台
１２  ヒータ
１３  温度検知器
１４  昇降機構
１５    造形台
１５１  造形台の中央領域
１５２  造形台の周辺領域
２０  堆積部
２１  篩
２２  ノズル部
２３  加振機構
２６  第２の堆積部
３０  吐出部
３１  坩堝
３２  ノズル部
３３  加熱器
３４  熱源
３５  温度検知器
３６  圧電セラミック素子
４０  容器
４１  熱源
４２  排気手段
４３  ガス供給手段
４４  ガス循環手段
４５  温度検知器
５０  制御手段
８１Ａ  材料層
８１Ｂ  生成層
８２Ａ  材料層
８２Ｂ  生成層
８３Ａ  材料層（第１層）
８３Ｂ  生成層（第１層）
８４Ａ  材料層（第２層）
８５Ａ  材料層
８５Ｂ  生成層
９０  擦切器
１００  中心軸
２００  造形装置
２１０  造形台
２２０  堆積部
２３０  吐出部
【図１】
0004223637.tif 000002
【図２】
0004223637.tif 000003
【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】
0004223637.tif 000008