JP7409149B2 - 立体造形物の製造装置及び立体造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、立体造形物の製造装置及び立体造形物の製造方法に関する。

三次元造形方式の一つとして、層状に敷き詰めた粉体に、印刷機等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、結合剤を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって三次元形状を造る技術（例えば、バインダージェッティング方式）がある。このようなバインダージェッティング方式では、粉体を結合剤で固化させたグリーン体を焼結して最終造形物を得ているので、最終造形物の強度を向上させるため、形成した層表面を親水化し、層間の密着性を高める技術が既に知られている。

しかし、先行技術では、アルミニウムのような難焼結材料を用いた場合、焼結時に密度が上がりにくく、他の材料に比べて、層構造が部品内部に残存し易くなる傾向がある。その結果、層間の密着性が低く、高さ方向（Ｚ方向）の強度が弱くなってしまうという問題がある。
そこで、例えば、第１粉体及び第２粉体の混合比を制御してコーティングを行い、造形物が形成されたとき、第１粉体のみの領域は、第２粉体のみの領域とは異なる強度を有する三次元積層造形装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

本発明は、層間の密着性を向上させることができる立体造形物の製造装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造装置は、第一の粉体を搬送する搬送手段と、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、を有する。

本発明によると、層間の密着性を向上させることができる立体造形物の製造装置を提供することができる。

図１は、参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す概略平面図である。 図２は、参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す概略側面図である。 図３は、参考実施形態に係る立体造形物の製造装置における造形部の一例を示す概略断面図である。 図４は、参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す主要部斜視図である。 図５は、参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の制御部の一例を示すブロック図です。 図６Ａは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図６Ｂは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図６Ｃは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図６Ｄは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図６Ｅは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図６Ｆは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図７は、第１の実施形態で得られたグリーン体の一例を示す断面図です。 図８Ａは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図８Ｂは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図８Ｃは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図８Ｄは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図８Ｅは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図８Ｆは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図９Ａは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図９Ｂは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図９Ｃは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図９Ｄは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図９Ｅは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図９Ｆは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図１０Ａは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図１０Ｂは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図１０Ｃは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図１０Ｄは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図１０Ｅは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。 図１０Ｆは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。

（立体造形物の製造装置及び立体造形物の製造方法）
本発明の立体造形物の製造装置は、第一の粉体を搬送する搬送手段と、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、を有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。

本発明の立体造形物の製造方法は、第一の粉体を搬送する搬送工程と、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与工程と、前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与工程と、を含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。

本発明の立体造形物の製造方法は、本発明の立体造形物の製造装置により好適に実施することができ、搬送工程は搬送手段により行うことができ、造形液付与工程は造形液付与手段により行うことができ、第二の粉体付与工程は第二の粉体付与手段により行うことができ、その他の工程はその他の手段により行うことができる。
以下、本発明の立体造形物の製造装置の説明を通じて、本発明の立体造形物の製造方法の詳細についても明らかにする。

従来技術では、複数種の粉体を用いることが記載されているが、例えば、アルミニウムのような難焼結材料を用いたバインダージェッティング方式において、層間の密着性が低いという問題は解消できていない。

本発明の立体造形物の製造装置は、層状に敷き詰めた粉体に、印刷装置等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、造形液を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって造形物を作製するバインダージェッティング方式において、第一の粉体を搬送する搬送手段と、前記搬送手段によって搬送された第一の粉体を固化させる造形液を付与する造形液付与手段と、固化された第一の粉体を含む粉体層に、前記第一の粉体と合金を形成し、固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、を有することによって、層間の密着性が十分であり、その結果、ＸＹ方向とＺ方向で強度の異方性の少ない造形を実現できる。

本発明においては、第一の粉体を含む粉体層（造形層）間に第二の粉体（焼結助剤）が存在することによって、焼結時に、造形層間に液相が生成し、造形層間の密着性が向上するので、造形層をリコートして、造形液を付与した後に、第二の粉体を付与する。要するに、グリーン体内部の造形層間に第二の粉体を選択的に配置させることによって、焼結時に、造形層間で焼結が進行しやすくなり、特に、第一の粉体のリコートや造形液の付与状態が層間密着のために最適化されていなくても、確実に造形層間の密着性を向上させることができる。

＜搬送工程及び搬送手段＞
搬送工程は、第一の粉体を搬送する工程であり、搬送手段により実施される。搬送工程によって、第一の粉体を含む粉体層（造形層）が形成される。
搬送手段としては、例えば、リコートローラ、ホッパーなどが挙げられる。
前記第一の粉体を含む粉体層は支持体上に形成されることが好ましい。

－支持体－
支持体としては、第一の粉体を載置することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、第一の粉体の載置面を有する台、特開２０００－３２８１０６号公報の図１に記載の装置におけるベースプレート、などが挙げられる。
前記支持体の表面、即ち、第一の粉体を載置する載置面としては、例えば、平滑面であってもよいし、粗面であってもよく、また、平面であってもよいし、曲面であってもよいが、第一の粉体における樹脂が溶解した際に、樹脂との親和性が低いことが好ましい。
載置面と、溶解した樹脂との親和性が、第一の粉体と、溶解した前記樹脂との親和性よりも低いと、得られた立体造形物を該載置面から取り外すことが容易である点で好ましい。

－第一の粉体の搬送－
リコートローラを用いて第一の粉体を供給槽から造形槽に搬送する場合には、リコートローラによって第一の粉体の搬送と平坦化を行う。造形槽内に、該造形槽の内壁を摺動させながら昇降可能に配置された支持体上に、供給槽から第一の粉体を、リコートローラを用いて搬送する。このとき、支持体として造形槽内を昇降可能なものを用いる場合には、支持体を造形槽の上端開口部よりも少しだけ下方の位置に配する。即ち、支持体を第一の粉体を含む粉体層の厚み分だけ下方に位置させておき、支持体上に第一の粉体を載置させる。以上により、第一の粉体を前記支持体上に薄層に載置させることができる。

ホッパーを用いて第一の粉体を造形槽に搬送する場合には、造形槽の上方からホッパーによって造形槽内に第一の粉体を搬送する。ホッパーを搬送手段として用いると、造形槽内に所定量の第一の粉体を搬送できるので、搬送後に平坦化は行わない。

＜＜第一の粉体＞＞
第一の粉体は、難焼結材料であることが好ましい。
難焼結材料とは、加熱しても焼結が進み難い材料を意味している。より具体的には、融点もしくは固相線温度が非常に高く一般的な加熱装置ではそれを越えた温度での熱処理が不可能であるか、又は、融点もしくは固相線温度が低くても粒子表面に形成した酸化皮膜が焼結を阻害するような材料を指す。
難焼結材料としては、例えば、金属、セラミックス、炭化物などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、又はそれらの合金などが挙げられる。
セラミックスとしては、例えば、窒化アルミニウム、アルミナなどが挙げられる。
炭化物としては、例えば、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、クロムカーバイド、シリコンカーバイドなどが挙げられる。

第一の粉体は、粒子形状であることが好ましく、その形状としては、球状、楕円状などが挙げられる。
第一の粉体の体積平均粒径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、０．１μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上３００μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以上２５０μｍ以下が更に好ましい。
体積平均粒径が、０．１μｍ以上５００μｍ以下であると、立体造形物の製造効率に優れ、取扱性やハンドリング性が良好である。体積平均粒径が、５００μｍ以下であると、第一の粉体を用いて薄層を形成した際に、該薄層における前記立体造形用粉体の充填率が向上し、得られる立体造形物に空隙や組成ムラ等が生じ難い。
第一の粉体の体積平均粒径は、公知の粒径測定装置、例えば、マイクロトラックＨＲＡ（日機装株式会社製）、などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。

第一の粉体の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、第一の粉体上に樹脂を被覆する方法などが好適に挙げられる。
第一の粉体の表面への樹脂の被覆方法としては、特に制限はなく、公知の被覆方法の中から適宜採用することができ、例えば、転動流動コーティング法、スプレードライ法、撹拌混合添加法、ディッピング法、ニーダーコート法、などが好適に挙げられる。また、これらの被覆方法は、公知の市販の各種コーティング装置、造粒装置などを用いて実施することができる。

＜＜樹脂＞＞
樹脂としては、造形液に溶解して第一の粉体を固化することができるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、造形液が水系である場合には、例えば、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース、デンプン、ゼラチン、ビニル樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレングリコールなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

樹脂による第一の粉体の被覆厚みとしては、平均厚みで、５ｎｍ以上１，０００ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下がより好ましく、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が更に好ましく、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下が特に好ましい。
被覆厚みとしての平均厚みが、５ｎｍ以上であると、第一の粉体に前記造形液を付与して形成した第一の粉体（層）による造形層の強度が向上し、その後の焼結等の処理乃至取扱い時に型崩れ等の問題が生じることがない、１，０００ｎｍ以下であると、第一の粉体に前記造形液を付与して形成した第一の粉体（層）による造形層の寸法精度が向上する。
平均厚みは、例えば、第一の粉体をアクリル樹脂等に包埋した後、エッチング等を行って前記第一の粉体の表面を露出させた後、走査型トンネル顕微鏡ＳＴＭ、原子間力顕微鏡ＡＦＭ、走査型電子顕微鏡ＳＥＭなどを用いることにより、測定することができる。

樹脂による第一の粉体の表面の被覆率（面積率）としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、１５％以上が好ましく、５０％以上がより好ましく、８０％以上が更に好ましい。
被覆率が、１５％以上であると、第一の粉体に造形液を付与して形成した第一の粉体（層）による造形層の強度が充分に得られ、その後の焼結等の処理乃至取扱い時に型崩れ等の問題が生じることがなく、また、第一の粉体に前記造形液を付与して形成した第一の粉体（層）による造形層の寸法精度が向上する。
被覆率は、例えば、第一の粉体の写真を観察し、二次元の写真に写る該立体造形用粉体について、第一の粉体の表面の全面積に対する、樹脂で被覆された部分の面積の割合（％）の平均値を算出してこれを該被覆率としてもよいし、また、樹脂で被覆された部分をＳＥＭ－ＥＤＳ等のエネルギー分散型Ｘ線分光法による元素マッピングを行うことにより、測定することができる。

＜造形液付与工程及び造形液付与手段＞
造形液付与工程は、第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する工程であり、造形液付与手段によって実施される。

＜＜造形液＞＞
造形液としては、第一の粉体を被覆する樹脂を溶解して固定化させることができるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン等の水性媒体、脂肪族炭化水素、グリコールエーテル等のエーテル系溶剤、酢酸エチル等のエステル系溶剤、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤、高級アルコールなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

造形液の第一の粉体（層）への付与の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ディスペンサ方式、スプレー方式、インクジェット方式などが挙げられる。なお、これらの方式を実施するには公知の装置を造形液付与手段として好適に使用することができる。
これらの中でも、ディスペンサ方式は、液滴の定量性に優れるが、塗布面積が狭くなり、スプレー方式は、簡便に微細な吐出物を形成でき、塗布面積が広く、塗布性に優れるが、液滴の定量性が悪く、スプレー流による第一の粉体の飛散が発生する。このため、本発明においては、インクジェット方式が特に好ましい。インクジェット方式は、スプレー方式に比べ、液滴の定量性が良く、ディスペンサ方式に比べ、塗布面積が広くできる利点があり、複雑な立体形状を精度良くかつ効率よく形成し得る点で好ましい。

インクジェット法による場合、造形液付与手段は、インクジェット法により造形液を第一の粉体（層）に付与可能なノズルを有する。なお、前記ノズルとしては、公知のインクジェットプリンターにおけるノズル（吐出ヘッド）を好適に使用することができ、また、インクジェットプリンターを造形液付与手段として好適に使用することができる。なお、インクジェットプリンターとしては、例えば、株式会社リコー製のＳＧ７１００、などが好適に挙げられる。インクジェットプリンターは、ヘッド部から一度に滴下できる液体量が多く、塗布面積が広いため、塗布の高速化を図ることができる点で好ましい。
本発明においては、造形液を精度良くしかも高効率に付与可能な前記インクジェットプリンターを用いた場合においても、造形液が、粒子等の固形物や、樹脂等の高分子の高粘度材料を含有しないため、ノズル乃至そのヘッドにおいて目詰り等が発生せず、腐食等を生じさせることもなく、また、第一の粉体（層）に付与（吐出）された際、第一の粉体における樹脂に効率良く浸透可能であるため、立体造形物の製造効率に優れ、しかも樹脂等の高分子成分が付与されることがないため、予定外の体積増加等を生じることがなく、寸法精度の良好なグリーン体が容易にかつ短時間で効率よく得られる点で有利である。

＜第二の粉体付与工程及び第二の粉体付与手段＞
第二の粉体付与工程は、第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する工程であり、第二の粉体付与手段によって実施される。
第二の粉体付与は造形液付与後に行ってもよく、造形液付与前に行ってもよい。

＜＜第二の粉体＞＞
第二の粉体は、第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなり、第一の粉体を焼結する際に添加して焼結を促進する剤であり、「焼結助剤」と称することもある。

第二の粉体は、粒子形状であることが好ましく、その形状としては、球状、楕円状、球形度の低い尖った形状、多角形状、矩形状、扁平状、板状などが挙げられる。
第二の粉体の体積平均粒径は、１０ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上５μｍ以下がより好ましい。
第二の粉体の体積平均粒径は、公知の粒径測定装置、例えば、マイクロトラックＨＲＡ（日機装株式会社製）などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。

第二の粉体としては、第一の粉体がアルミニウム又はその合金である場合には、シリコン、銅、スズ、マグネシウム、鉄、マンガン、チタン、ニッケル、亜鉛、クロム、又はこれら合金などが挙げられる。

第二の粉体の構成元素は、全て第一の粉体の構成元素に含まれることが好ましい。これにより、原料となる第一の粉体と、焼結後の立体造形物の構成元素が同一になり、不純元素の混入を防ぐことができる。
このような組み合わせとしては、例えば、「第一の粉体：ＡｌＳｉ_１０Ｍｇ合金－第二の粉体：シリコン又はマグネシウム」、「第一の粉体：ＡＤＣ_１２－第二の粉体：シリコン又は銅」、「第一の粉体：銅タングステン合金－第二の粉体：銅」、「第一の粉体：銀タングステン合金－第二の粉体：銀」などが挙げられる。
第一の粉体と第二の粉体が、焼結時に液相を形成したとき、液相から固相への溶解度をＳＡ、固相から液相への溶解度をＳＢとすると、次式、ＳＢ＞ＳＡ、を満たすことが好ましく、固相から液相への溶解度の方が高いことがより好ましい。これにより、固相粒間の液相が多くなり、固相粒間の空隙を埋め、立体造形物の焼結体がより緻密化する。
このような第一の粉体－第二の粉体の組み合わせとしては、例えば、第一の粉体：アルミニウム－第二の粉体：スズなどが挙げられる。

第二の粉体付与手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、第二の粉体を含有する液体を付与する手段、第二の粉体をそのまま付与する手段などが挙げられる。

第二の粉体を含有する液体を付与する手段としては、第二の粉体を含有する液体を付与するインクジェットヘッドであることが好ましい。
第二の粉体を含有する液体の吐出量は、所謂、第一の粉体を含む粉体層（造形層）の結合（造形用）の吐出量に比べて少量でよい。層間に第二の粉体を存在させることが目的であり、造形層内部に浸透させる必要は無いためである。造形層の結合（造形用）には、造形液を１５０ｐＬ以上２５０ｐＬ以下の吐出量で吐出することが好ましく、前記第二の粉体を含有する液体は５ｐＬ以上１００ｐＬ以下の吐出量で吐出すればよい。
第二の粉体は、１０ｎｍ以上１,０００ｎｍ以下の平均粒子径で、第二の粉体を含有する液体中に含有されることが好ましい。

グリーン体における第二の粉体の含有量が第一の粉体の含有量よりも少ないことが好ましい。必要以上に第二の粉体（焼結助剤）がグリーン体中に含まれないことが、造形物の強度などの点から望ましい。
第二の粉体を含有する液体は、第一の粉体を含む粉体層の造形領域に付与することが好ましいが、第一の粉体を固化する造形液ほどの、高解像度のパターンで吐出する必要はなく、低解像度で吐出しても強度改善の効果は維持できる。その上、プロセススピードを向上させられるため、利点が多いと考えられる。

第二の粉体をそのままドライ粉体として付与する手段としては、例えば、ホッパー、ローラなどが挙げられる。この場合、第一の粉体を含む粉体層（造形層）の造形領域だけでなく、非造形領域も第二の粉体が供給されるため、造形後の未使用粉体をリサイクルする際に、材料組成が変化するというデメリットはあるが、第二の粉体を含有する液体の調製、及び第二の粉体を含有する液体の付与手段が不要であり、簡易に実装することができる。

＜その他の工程及びその他の手段＞
その他の工程としては、焼結工程、乾燥工程、表面保護処理工程、塗装工程などが挙げられる。
その他の手段としては、焼結手段、粉体収容部、液体収容部、乾燥手段、表面保護処理手段、塗装手段などが挙げられる。

－焼結工程及び焼結手段－
焼結工程は、粉体層固化工程において形成したグリーン体を焼結する工程である。焼結工程を行うことにより、グリーン体を一体化された金属乃至セラミックスの成形物（立体造形物の焼結体）とすることができる。焼結手段としては、例えば、公知の焼結炉などが挙げられる。
本発明においては、難焼結材料からなる第一の粉体と第二の粉体（焼結助剤）を用いることによって、グリーン体における層間の密着性を向上させることができ、焼結後の立体造形物中の空隙や組成ムラの発生を抑制できる。

－粉体収容部－
粉体収容部は、第一の粉体が収容された部材であり、第二の粉体を粉体状態で付与する場合には第二の粉体が収容された部材も含まれる。
粉体収容部の大きさ、形状、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、貯留槽、袋、カートリッジ、タンクなどが挙げられる。

－液体収容部－
液体収容部は、造形液が収容された部材であり、その大きさ、形状、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、貯留槽、袋、カートリッジ、タンクなどが挙げられる。

乾燥工程は、第二の粉体付与工程において得られたグリーン体を乾燥させる工程である。乾燥工程において、グリーン体中に含まれる水分のみならず、有機物を除去（脱脂）してもよい。乾燥手段としては、例えば、公知の乾燥機などが挙げられる。
表面保護処理工程は、第二の粉体付与工程において得られたグリーン体に保護層を形成等する工程である。この表面保護処理工程を行うことにより、グリーン体を例えばそのまま使用等することができる耐久性等を該グリーン体の表面に与えることができる。保護層の具体例としては、耐水性層、耐候性層、耐光性層、断熱性層、光沢層などが挙げられる。表面保護処理手段としては、公知の表面保護処理装置、例えば、スプレー装置、コーティング装置などが挙げられる。
塗装工程は、第二の粉体付与工程において得られたグリーン体に塗装を行う工程である。塗装工程を行うことにより、グリーン体を所望の色に着色させることができる。塗装手段としては、公知の塗装装置、例えば、スプレー、ローラ、刷毛等による塗装装置などが挙げられる。

ここで、本発明の立体造形物の製造装置を用いた立体造形の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。

＜参考実施形態＞
ここで、図１は参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す概略平面図である。図２は図１に示した参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の一例を示す概略側面図である。図３は図１に示した参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部の一例を示す拡大側面図である。図４は参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の主要部の一例を示す斜視図である。図５は参考実施形態に係る立体造形物の製造装置の制御部の一例を示すブロック図です。

参考実施形態に係る立体造形物の製造装置（粉体造形装置）は、第一の粉体が結合された層状造形物である造形層３０が形成される造形部１と、造形部１の層状に敷き詰められた第一の粉体を含む粉体層（造形層）３１に造形液１０を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５とを備えている。

造形部１は、粉体槽１１と、搬送手段である回転体としてのリコートローラ１２、粉体除去板１３、粉体のタップ手段であるＺ方向に振動する振動ブレード１４及びそのアクチュエータ１５、を搭載する積層ユニット１６などを備えている。なお、搬送手段は、回転体に代えて、例えば、板状部材（ブレード、バー）とすることもできる。振動ブレードのアクチュエータとしては、エアバイブレータや偏心モータ、積層ピエゾなどが使用できる。

粉体槽１１は、第一の粉体２０を供給する供給槽２１と、造形層３０が積層されて立体造形物が造形される造形槽２２と、造形層３１を形成する際にリコートローラ１２によって供給される第一の粉体２０のうち、落下される余剰第一の粉体２０を溜める余剰粉体受け槽２５を有している。供給槽２１の底部は供給ステージ２３として鉛直方向（高さ方向）に昇降自在となっている。同様に、造形槽２２の底部は造形ステージ２４として鉛直方向（高さ方向）に昇降自在となっている。造形ステージ２４上に造形層３０が積層された立体造形物が造形される。余剰粉体受け槽２５の底面には粉体を吸引する機構が備えられた構成や、余剰粉体受け槽２５が簡単に取り外せるような構成となっている。

供給ステージ２３は、例えば、図２から図４に示すように、モータ２７によって矢印Ｚ方向（高さ方向）に昇降され、造形ステージ２４は、同じく、モータ２８によって矢印Ｚ方向に昇降される。

リコートローラ１２は、供給槽２１の供給ステージ２３上に供給された第一の粉体２０を造形槽２２に搬送し、リコートローラ１２によって均して、造形層３１を形成する。
このリコートローラ１２は、造形ステージ２４のステージ面（第一の粉体２０が積載される面）に沿って矢印Ｙ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、往復移動機構２５によって移動される。また、リコートローラ１２は、モータ２６によって回転駆動される。

一方、造形ユニット５は、造形ステージ２４上の造形層３１に造形液１０を吐出する液体吐出ユニット５０を備えている。
液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に搭載された２つ（１又は３つ以上でもよい。）の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という。）５２ａ、５２ｂを備えている。

キャリッジ５１は、ガイド部材５４及び５５に移動可能に保持されている。ガイド部材５４及び５５は、両側の側板７０、７０に昇降可能に保持されている。
このキャリッジ５１は、後述するＸ方向走査モータ５５０によってプーリ及びベルトから構成される主走査移動機構を介して主走査方向である矢印Ｘ方向（以下、単に「Ｘ方向」という。他のＹ、Ｚについても同様とする。）に往復移動される。

２つのヘッド５２ａ、５２ｂ（以下、区別しないときは「ヘッド５２」という。）は、液体を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ２列配置されている。一方のヘッド５２ａの２つのノズル列は、シアン造形液及びマゼンタ造形液を吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、イエロー造形液及びブラック造形液をそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。
これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液の各々を収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブなどを介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。
また、Ｘ方向の一方側には、液体吐出ユニット５０のヘッド５２の維持回復を行うメンテナンス機構６１が配置されている。

メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３で構成される。キャップ６２をヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイパ６３でワイピング（払拭）する。また、メンテナンス機構６１は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ６２で覆い、第一の粉体２０がノズルに混入することや造形液１０が乾燥することを防止する。

造形ユニット５は、ベース部材７上に配置されたガイド部材７１に移動可能に保持されたスライダ部７２を有し、造形ユニット５全体がＸ方向と直交するＹ方向（副走査方向）に往復移動可能である。この造形ユニット５は、後述するモータ５５２を含む走査機構によって全体がＹ方向に往復移動される。

液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に配置され、後述するモータ５５１を含む昇降機構によってＺ方向に昇降される。

ここで、造形部１の詳細について説明する。
粉体槽１１は、箱型形状をなし、供給槽２１と造形槽２２と、余剰粉体受け槽２５の３つの上面が開放された槽とを備えている。供給槽２１内部には供給ステージ２３が、造形槽２２内部には造形ステージ２４がそれぞれ昇降可能に配置される。

供給ステージ２３の側面は供給槽２１の内側面に接するように配置されている。造形ステージ２４の側面は造形槽２２の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ２３及び造形ステージ２４の上面は水平に保たれている。

造形層２２の隣には余剰粉体受け槽２５が設けられている。
余剰粉体受け槽２５には、造形層３１を形成するときにリコートローラ１２によって供給される第一の粉体２０のうちの余剰の第一の粉体２０が落下する。粉体落下口２５に落下した余剰の第一の粉体２０は供給槽２１に粉体を供給する粉体供給装置に戻される。

供給槽２１上には図５の粉体供給装置５５４が配置される。造形の初期動作時や供給槽２１の粉体量が減少した場合に、粉体供給装置５５４を構成するタンク内の粉体を供給槽２１に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。

リコートローラ１２は、供給槽２１から第一の粉体２０を造形槽２２へと搬送して、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である造形層３１を形成する。

このリコートローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の内寸（即ち、粉体が供される部分又は仕込まれている部分の幅）よりも長い棒状部材であり、往復移動機構２５によってステージ面に沿ってＹ方向（副走査方向）に往復移動される。
このリコートローラ１２は、モータ２６によって回転されながら、供給槽２１の外側から供給槽２１及び造形槽２２の上方を通過するようにして水平移動する。これにより、第一の粉体２０が造形槽２２上へと搬送され、リコートローラ１２が造形槽２２上を通過しながら第一の粉体２０を平坦化することで造形層３１が形成される。

また、図２にも示すように、リコートローラ１２の周面に接触して、リコートローラ１２に付着した第一の粉体２０を除去するための粉体除去部材である粉体除去板１３が配置されている。
粉体除去板１３は、リコートローラ１２の周面に接触した状態で、リコートローラ１２とともに移動する。また、粉体除去板１３は、リコートローラ１２が搬送を行うときの回転方向に回転するときにカウンター方向でも、順方向での配置可能である。

上記のように作製したグリーン体を、焼結炉にて焼結することで、最終造形物を得る。焼結手段としては、例えば、公知の焼結炉などが挙げられる。

参考実施形態では、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の二つの槽を有する構成としているが、造形槽２２のみとして、造形槽２２に粉体供給装置から粉体を供給して、搬送手段で平坦化する構成とすることもできる。

次に、参考実施形態の立体造形装置の制御部の概要について図５を参照して説明する。図５は立体造形装置の制御部のブロック図である。
制御部５００は、この立体造形装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、造形データ等を一時格納するＲＡＭ５０３とを含む主制御部５００Ａを備えている。

制御部５００は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４を備えている。また、制御部５００は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ５０５を備えている。

制御部５００は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのＩ／Ｆ５０６を備えている。なお、造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。

制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むためのＩ／Ｏ５０７を備えている。
制御部５００は、液体吐出ユニット５０の各ヘッド５２を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８を備えている。
制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＸ方向（主走査方向）に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。
制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降機構５５１を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１１を備えている。なお、矢印Ｚ方向への昇降は造形ユニット５全体を昇降させる構成とすることもできる。
制御部５００は、供給ステージ２３を昇降させるモータ２７を駆動するモータ駆動部と、造形ステージ２４を昇降させるモータ２８を駆動するモータ駆動部５１４を備えている。
制御部５００は、リコートローラ１２を移動させる往復移動機構２５のモータ５５３を駆動するモータ駆動部５１５と、リコートローラ１２を回転駆動するモータ２６を駆動する５１６を備えている。
制御部５００は、供給槽２１に第一の粉体２０を供給する粉体供給装置５５４を駆動する供給系駆動部５１７と、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動するメンテナンス駆動部５１８を備えている。
制御部５００は、粉体後供給部８０から第一の粉体２０の供給を行わせる後供給駆動部５１９を備えている。
制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ５６０などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。
制御部５００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル５２２が接続されている。
なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置（粉体積層造形装置）６０１によって造形装置が構成される。

参考実施形態においては、第二の粉体（焼結助剤）を付与しておらず、第一の粉体を含む粉体層（造形層）間に第二の粉体が存在しないので、焼結時に、造形層間の密着性が向上せず、ＸＹ方向とＺ方向で強度の異方性が大きくなってしまう。

＜第１の実施形態＞
図６Ａ～図６Ｆは、第１の実施形態に係る立体造形物の製造装置を用いた造形の流れの説明に供する概略図である。この図６Ａ～図６Ｆの説明において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。

まず、造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態から説明する。
次に、この造形層３０上に次の造形層を形成するときには、図６Ａに示すように、供給槽２１の供給ステージ２３を矢印Ｚ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４を矢印Ｚ２方向に下降させる。このとき、造形槽２２の上面（第１の粉体を含む粉体層表面）とリコートローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ１となるように造形ステージ２４の下降距離を設定する。この間隔Δｔ１が次に形成する第１の粉体を含む粉体層３１の厚さに相当する。間隔Δｔ１は、数十～１００μｍ程度であることが好ましい。

次に、図６Ｂに示すように、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する、第一の粉体２０を、リコートローラ１２を順方向（矢印方向）に回転しながら矢印Ｙ２方向（造形槽２２側）に移動することで、第一の粉体２０を造形槽２２へと搬送する。

次に、図６Ｃに示すように、リコートローラ１２を造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させる。ここで、リコートローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。

次に、リコートローラ１２で、第一の粉体２０を造形槽２２の上へと搬送させつつ、図６Ｄに示すように、造形槽２２上又は既に形成された造形層３０の上に均一厚さΔｔ１の第１の粉体を含む粉体層３１を形成できる。
第１の粉体を含む粉体層３１を形成後、リコートローラ１２は、図６Ｄに示すように、Ｙ１方向に移動されて初期位置に戻される。

その後、図６Ｅに示すように、液体吐出ユニットのヘッド５２から造形層３０に造形液１０の液滴を吐出して、第１の粉体を含む粉体層３１を造形層３０上に積層造形する（造形）。
ここで、造形層３０は、例えば、ヘッド５２から吐出された造形液１０が第一の粉体２０と混合されることで、第一の粉体２０に含まれる樹脂が溶解し、溶解した樹脂同士が結合して第一の粉体２０が結合されることで形成される。

次に、図６Ｆに示すように、上記の第一の粉体２０が結合されて形成された造形層３０に、液体吐出ユニットのヘッド５２から第二の粉体（焼結助剤）が含有された液体を吐出する。

次いで、上述した第一の粉体の搬送（供給・平坦化）よる粉体層３１を形成する工程と、ヘッド５２による造形液吐出工程とを繰り返して新たな造形層３０を形成する。
このとき、新たな造形層３０とその下層の造形層３０とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。
以後、第一の粉体の搬送（供給・平坦化）よる造形層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。

上記の工程を経て作製したグリーン体は、図７に示すように、造形層間に第二の粉体（焼結助剤）が存在する。このグリーン体を熱処理した際に、焼結助剤は液相を形成し、焼結を進行させる。このようにグリーン体を焼結すると、層間の焼結が確実に進行するため、焼結体において、層構造が残りにくくなり、Ｚ方向においても、ＸＹ方向と同等の強度を実現できる。

上記のように作製したグリーン体を、焼結炉にて焼結することで、最終造形物を得る。焼結手段としては、例えば、公知の焼結炉などが挙げられる。

第一の実施形態によると、第一の粉体を含む造形層間に第二の粉体（焼結助剤）が存在することによって、焼結時に、造形層間に液相が生成し、造形層間の密着性が向上するので、ＸＹ方向とＺ方向で強度の異方性の少ない造形を実現できる。

＜第２の実施形態＞
図８Ａ～図８Ｆは、第２の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。なお、第２の実施形態において、既に説明した参考実施形態及び第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態では、造形液を付与する前に、第二の粉体を含有する液体を付与することでも効果を発揮できる。即ち、図８Ａ～図８Ｄの各工程を行った後、図８Ｅに示す第二の粉体を含有する液体付与工程を行った後、図８Ｆに示す造形液付与工程を行う。
第２の実施形態によると、造形液で濡れていない乾いた第１の粉体を含む粉体層３１表面に、第二の粉体を含有する液体１１０を付与するため、付与位置に対して第二の粉体を含有する液体が拡がらず、精度良く、第二の粉体を含有する液体を付与することができる。

＜第３の実施形態＞
図９Ａ～図９Ｆは、第３の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。なお、第３の実施形態において、既に説明した実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。

この第３の実施形態では、第二の粉体をそのまま、造形層表面に付与する。即ち、図９Ａ～図９Ｅの各工程を行った後、図９Ｆに示すような、第二の粉体付与手段としてのホッパー５４を用いて第二の粉体１１１を供給する。
第３の実施形態によると、造形層の造形領域だけでなく、非造形領域にも第二の粉体が供給されるため、造形後の未使用粉体をリサイクルする際に、材料組成が変化するというデメリットはあるが、第二の粉体を含有する液体の作製、及び第二の粉体を含有する液体の付与手段が不要であり、簡易に実装することができる。

＜第４の実施形態＞
図１０Ａ～図１０Ｆは、第４の実施形態に係る立体造形物の製造装置の造形部での造形動作の流れの一例を示す概略断面図である。なお、第４の実施形態において、既に説明した実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。

この第４の実施形態では、第二の粉体をそのまま、造形層表面に付与する。即ち、図１０Ａ～図Ｅの各工程を行った後、図１０Ｆに示すような、第二の粉体付与手段としてのローラ５５を用いて第二の粉体１１１を付与する。
第４の実施形態によると、造形層の造形領域だけでなく、非造形領域も第二の粉体が供給されるため、造形後の未使用粉体をリサイクルする際に、材料組成が変化するというデメリットはあるが、第二の粉体を含有する液体の作製、及び第二の粉体を含有する液体の付与手段が不要であり、簡易に実装することができる。

本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 第一の粉体を搬送する搬送手段と、
第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、
前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、
を有することを特徴とする立体造形物の製造装置である。
＜２＞ グリーン体における前記第二の粉体の含有量が前記第一の粉体の含有量よりも少ない前記＜１＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜３＞ 前記第一の粉体が、アルミニウム、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、又はこれらの合金である前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜４＞ 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を含有する液体を付与する手段である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜５＞ 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を含有する液体を付与するインクジェットヘッドである前記＜４＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜６＞ 前記第二の粉体を含有する液体を前記第一の粉体を含む粉体層の造形領域に付与する前記＜４＞から＜５＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜７＞ 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を付与するローラである前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜８＞ 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を付与するホッパーである前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜９＞ 第一の粉体を搬送する搬送工程と、
第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与工程と、
前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる第二の粉体を付与する第二の粉体付与工程と、
を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法である。
＜１０＞ 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体を含有する液体をインクジェット法により第一の粉体を含む粉体層に付与する前記＜９＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜１１＞ 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体をローラにより第一の粉体を含む粉体層に付与する前記＜９＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜１２＞ 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体をホッパーにより第一の粉体を含む粉体層に付与する前記＜９＞に記載の立体造形物の製造方法である。

前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置、及び前記＜９＞から＜１２＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。

１２ 搬送手段（リコートローラ）
５２ 造形液付与手段
５３、５４ 第二の粉体付与手段

特許第６４４８００４号公報

Claims (12)

1. 第一の粉体を搬送する搬送手段と、
   第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与手段と、
   前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる体積平均粒径１０ｎｍ以上１０μｍ以下で、かつ、前記第一の粉体の構成元素に含まれる第二の粉体を付与する第二の粉体付与手段と、
   を有することを特徴とする立体造形物の製造装置。
2. グリーン体における前記第二の粉体の含有量が前記第一の粉体の含有量よりも少ない請求項１に記載の立体造形物の製造装置。
3. 前記第一の粉体が、アルミニウム、タングステン、チタン、モリブデン、ニオブ、又はこれらの合金である請求項１から２のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
4. 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を含有する液体を付与する手段である請求項１から３のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
5. 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を含有する液体を付与するインクジェットヘッドである請求項４に記載の立体造形物の製造装置。
6. 前記第二の粉体を含有する液体を前記第一の粉体を含む粉体層の造形領域に付与する請求項４から５のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
7. 前記第二の粉体付与手段が、前記第二の粉体を付与するローラである請求項１から３のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
8. 第一の粉体を搬送する搬送工程と、
   第一の粉体を含む粉体層を固化させるための造形液を付与する造形液付与工程と、
   前記第一の粉体と合金を形成して固相線温度を下げる元素からなる体積平均粒径１０ｎｍ以上１０μｍ以下で、かつ、前記第一の粉体の構成元素に含まれる第二の粉体を付与する第二の粉体付与工程と、
   を含むことを特徴とする立体造形物の製造方法。
9. 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体を含有する液体をインクジェット法により前記第一の粉体を含む粉体層に付与する請求項８に記載の立体造形物の製造方法。
10. 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体をローラにより前記第一の粉体を含む粉体層に付与する請求項８に記載の立体造形物の製造方法。
11. 前記第二の粉体付与工程において、第二の粉体をホッパーにより前記第一の粉体を含む粉体層に付与する請求項８に記載の立体造形物の製造方法。
12. アルミニウム合金を含む粉体層に造形液を付与する工程と、
    第二の粉体を付与する工程と、を含み、
    前記アルミニウム合金は、アルミニウム、シリコン及びマグネシウムからなり、
    前記第二の粉体はシリコンを含むことを特徴とする立体造形物の製造方法。

Images