JP6916749B2

JP6916749B2 - 三次元構造物の造形方法、三次元構造物の造形装置

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Publication number: JP6916749B2
Application number: JP2018017359A
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Inventors: 顕鋒陳
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Publication date: 2021-08-11
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Description

本発明は、三次元構造物の造形方法、及び三次元構造物の造形装置に関し、特に、粉体を焼結させて三次元構造物を形成する技術に関する。

三次元画像データを基に三次元構造物の造形情報を生成し、その造形情報に基づいて樹脂や金属粉体等の材料を吐出し、凝固・焼結させて三次元構造物を形成する造形装置が知られている。

例えば、特許文献１には、支持テーブルの上に金属粉体を平坦に載置して金属粉体層を形成し、レーザ光を金属粉体層に照射して溶融させることによって焼結層を形成し、その後、支持テーブルの高さを調整して、金属粉体層及び焼結層を繰り返して形成することで三次元構造物を形成する技術が開示されている。

また、特許文献２には、ノズルから吐出された金属粉体をレーザで瞬間的に溶融させ、支持体に接触させた後、急速凝固が生じることで造形する技術が開示されている。

特許文献１の技術を用いて三次元構造物を形成する場合、造形処理に際して、所望する三次元構造物の形状を維持するために、支持体と三次元構造物との間に、三次元構造物の形状をサポートするためのサポート部材が形成されることがある。このサポート部材は、特許文献１における焼結層の形成後、または特許文献２の金属粉体の溶融及び凝固後に、三次元構造物から取り除く必要があるという課題がある。更に、三次元構造物の表面からサポート部材が取り除かれた箇所は凹凸が生じるので、表面の平滑化処理を行う必要があるという課題がある。

特許文献２の技術を用いて三次元構造物を形成する場合、三次元画像データの造形情報を基に、金属粉体を吐出して支持体上の所望の位置に着弾させるが、金属粉体の流動性に起因して、レーザを照射して焼結するまでの間に金属粉体の粒子が着弾位置からずれるという問題点がある。更に、レーザ照射にて焼結を行うため、高出力（例えば１ＫＷ以上の出力）のレーザを用いなければならないという課題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、三次元構造物の造形処理に際し、三次元構造物の形状をサポートするためのサポート部材を用いることなく、低出力のレーザを用いて、高速かつ直接的に三次元構造物を精度よく造形する三次元構造物の造形方法、及び三次元構造物の造形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、三次元構造物を造形する三次元構造物の造形方法において、少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する工程と、前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光照射することで、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体を前記樹脂バインダーにより固定させる固定粉体層形成工程と、前記固定粉体層形成工程で形成された固定粉体層の所定領域を焼結する焼結工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

また、本発明は、三次元構造物を造形する三次元構造物の造形装置において、少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する手段と、前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光を照射する手段と、前記層を加熱するか、または光を照射する手段により形成された固定粉体層の所定領域を焼結する手段と、を少なくとも有し、前記層を加熱もしくは光照射した後に、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体が前記樹脂バインダーにより固定され、前記樹脂バインダーにより固定された固定粉体層の所定領域が焼結される、ことを特徴とする。

本発明によれば、三次元構造物の造形処理に際し、三次元構造物の形状をサポートするためのサポート部材を用いることなく、低出力のレーザを用いて、高速かつ直接的に三次元構造物を精度よく造形する三次元構造物の造形方法、及び三次元構造物の造形装置を提供することができる。

本実施形態に係る三次元構造物の造形装置を示す斜視図本実施形態に係る造形装置が備える制御装置のハードウェア構成を示すブロック図本実施形態に係る造形装置の機能構成を示すブロック図第一実施形態に係る造形処理の流れを示すフローチャート第一実施形態に係る造形処理を示す説明図第二実施形態に係る造形処理を示す説明図第三実施形態に係る造形処理を示す説明図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態は、三次元構造物を造形する三次元構造物の造形装置（以下「造形装置」と略記する）において、支持体上に三次元構造物の組成物により構成された粉体を載置し、固定材により支持体に固定してから焼結させることが要旨である。まず、図１に基づいて、本実施形態に係る造形装置の構造について説明する。図１は、本実施形態に係る三次元構造物の造形装置を示す斜視図である。なお、以下において、三次元実空間をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸からなる直交座標を用いて説明する。また、三次元構造物を造形する処理を３次元プリント処理（以下、３次元プリントを「３Ｄプリント」と略記する）と呼び、３Ｄプリント処理を実行するための機構を「３Ｄプリントエンジン」と称する。

図１に示すように、本実施形態に係る造形装置１は、架台１０、Ｙ軸駆動装置１１、ステージ１２、基板１３、Ｘ軸駆動装置１４、支持枠体１５、第１のＺ軸駆動装置１６、第２のＺ軸駆動装置１７、三次元構造物を造形するための材料である造形材を吐出する吐出ヘッド２０、及び造形材にレーザ光を照射して焼結処理を行うためのレーザ装置３０を備える。すなわち、吐出ヘッド２０が吐出部に相当し、レーザ装置３０が焼結部に相当する。

架台１０は、床面上に載置する板状部材を用いて構成される。そして、造形装置１の各構成要素は、架台１０の上面に設置される。架台１０の上面には、Ｙ軸方向に沿ってステージ１２を移動させるＹ軸駆動装置１１が備えられる。ステージ１２は、基板１３を搭載する部材であり、真空又は静電気等を利用した図示しない吸着装置を備える。そして、この吸着装置により基板１３を固定することができる。又、ステージ１２は、Ｚ軸を中心に回転するＺ軸駆動装置（図示を省略）を搭載し、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０と、基板１３との相対的な傾きを補正できるように構成してもよい。基板１３は、その上面において吐出された三次元構造物を構成する造形材を積層させるための平板状部材である。また、ステージ１２は、基板１３に吐出された造形材に含まれる固定材を加熱して溶融するための加熱装置５０を内蔵する。すなわち、加熱装置５０は、固定粉体層形成部に相当する。

更に造形装置１は、架台１０の上面に支持枠体１５が立設される。支持枠体１５は、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０をＸ軸方向に沿って移動させるＸ軸駆動装置１４を支持する。Ｘ軸駆動装置１４は、Ｘ軸と平行な軸方向を有するＸ軸レール１４Ｒを含み、このＸ軸レール１４Ｒに沿って、第１のＺ軸駆動装置１６、及び第２のＺ軸駆動装置１７を移動させる。これにより、第１のＺ軸駆動装置１６、及び第２のＺ軸駆動装置１７がＸ軸方向に沿って移動する。

第１のＺ軸駆動装置１６には、吐出ヘッド２０を支持するヘッドベース２２が取り付けられている。第１のＺ軸駆動装置１６は、Ｚ軸と平行な軸方向を有するＺ軸レール１６Ｒを含み、このＺ軸レール１６Ｒに沿ってヘッドベース２２を移動させる。これにより、吐出ヘッド２０がＺ軸方向に沿って移動する。Ｚ軸レール１６Ｒの上部には、造形材を貯留するタンク２１が備えられる。タンク２１と吐出ヘッド２０とは、図示しない原料供給用パイプを介して連結される。そして、タンク２１内の造形材が原料供給用パイプを介して吐出ヘッド２０に供給され、吐出ヘッド２０から基板１３に向けて造形材が吐出される。造形材に金属粉体を含む場合は、金属粉体が重いことから、吐出ヘッドの吐出方式は、押出式又は噴射式を用いることが好ましい。なお、タンク２１は、造形材を収容した造形材収納容器を装着し、この収容容器自体がタンク２１として機能するように構成してもよいし、収容容器の内容物である造形材をタンク２１に移し変えるように構成してもよい。

第２のＺ軸駆動装置１７には、レーザ装置３０（光照射装置）を支持するレーザ支持部材３１が取り付けられている。レーザ装置３０は、連続照射レーザ装置でもパルス照射レーザ装置でもよい。第２のＺ軸駆動装置１７は、Ｚ軸と平行な軸方向を有する支柱１７Ｐを含み、支柱１７Ｐに沿ってレーザ支持部材３１を移動させる。これにより、レーザ装置３０がＺ軸方向に沿って移動する。

支持枠体１５の内部には、造形装置１の各構成要素に対する制御処理を実行する制御装置４０が内蔵される。Ｘ軸駆動装置１４は、制御装置４０からの制御信号に従って第１のＺ軸駆動装置１６及び第２のＺ軸駆動装置１７をＸ軸上の所定の位置に移動し、更に第１のＺ軸駆動装置１６がヘッドベース２２を、第２のＺ軸駆動装置１７がレーザ支持部材３１をＺ軸上の所定の位置に移動することにより、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０と、基板１３との距離を制御することができる。

なお、図１では、ステージ１２がＹ方向の１軸の自由度を有し、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０がＸ方向の１軸の自由度及びＺ方向の１軸の自由度を有する構成を示しているが、この形態には限定されない。例えば、ステージ１２がＸ方向及びＹ方向の２軸の自由度を有し、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０がＺ方向の１軸の自由度を有する構成であっても良い。又、ステージ１２がＹ方向の１軸の自由度を有し、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０を複数備え、これらをＸ軸方向に一列に並べるとともに、Ｚ方向の１軸の自由度を有して構成してもよい。

又、基板１３を固定し、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０がＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の３軸の自由度を有する構成であっても良い。又、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｘ軸ベクトル及びＹ軸ベクトルにより１平面を表現できれば直交する必要はなく、例えば、Ｘ軸ベクトルとＹ軸ベクトルとが、３０度、４５度、６０度の角度を有しても良い。

上記制御装置４０は、吐出ヘッド２０の造形材の吐出条件及びレーザ装置３０のレーザ照射条件を制御する。又、制御装置４０は図示しない記録部を有し、造形材の熱処理後の状態やレーザの最適な照射条件等を記録部に記録してもよい。以下、制御装置４０の内部構成を、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、本実施形態に係る造形装置が備える制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置４０は、一般的なサーバやＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）等の情報処理装置と同様の構成を有する。即ち、本実施形態に係る造形装置１が備える制御装置４０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）４１、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）４２、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）４３、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）４４及びＩ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）４５がバス４８を介して接続されている。また、Ｉ／Ｆ４５にはＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）４６及び操作部４７が接続されている。

ＣＰＵ４１は演算手段であり、造形装置１全体の動作を制御する。ＲＡＭ４２は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性の記憶媒体であり、ＣＰＵ４１が情報を処理する際の作業領域として用いられる。ＲＯＭ４３は、読み出し専用の不揮発性記憶媒体であり、ファームウェア等のプログラムが格納されている。

ＨＤＤ４４は、情報の読み書きが可能な不揮発性の記憶媒体であり、ＯＳ（ＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）や各種の制御プログラム、アプリケーション・プログラム等が格納されている。Ｉ／Ｆ４５は、バス４８と各種のハードウェアやネットワーク等を接続し制御する。ＬＣＤ４６は、ユーザが造形装置１の状態を確認するための視覚的ユーザインタフェースである。操作部４７は、キーボードやマウス等、ユーザが造形装置１に情報を入力するためのユーザインタフェースである。

このようなハードウェア構成において、ＲＯＭ４３やＨＤＤ４４若しくは図示しない光学ディスク等の記録媒体に格納されたプログラムがＲＡＭ４２に読み出され、ＣＰＵ４１の制御に従って動作することにより、ソフトウェア制御部が構成される。このようにして構成されたソフトウェア制御部と、ハードウェアとの組み合わせによって、本実施形態に係る造形装置１の機能を実現する機能ブロックが構成される。

次に、図３を参照して、本実施形態に係る造形装置１の機能構成について説明する。図３は、本実施形態に係る造形装置の機能構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態に係る造形装置１は、コントローラ１００と、ディスプレイパネル１１０と、３Ｄプリントエンジン１２０と、通信Ｉ／Ｆ１３０と、及び３次元画像データ記憶部（以下、３次元画像データを「３Ｄ画像データ」と略記する）１４０と、を有する。上記３Ｄプリントエンジン１２０は、三次元構造物の造形処理時に駆動する装置を総称したものであり、Ｙ軸駆動装置１１、Ｘ軸駆動装置１４、第１のＺ軸駆動装置１６、第２のＺ軸駆動装置１７、吐出ヘッド２０、レーザ装置３０、及び加熱装置５０が含まれる。

コントローラ１００は、主制御部１０１、エンジン制御部１０２、入出力制御部１０３、画像処理部１０４及び操作表示制御部１０５を有する。ディスプレイパネル１１０は、造形装置１の状態を視覚的に表示する出力インターフェースであると共に、タッチパネルとしてユーザが造形装置１を直接操作し若しくは造形装置１に対して情報を入力する際の入力インタフェース（操作部）でもある。通信Ｉ／Ｆ１３０は、造形装置１が有線通信又は無線通信により他の機器と通信するためのインターフェースであり、ＵＳＢインターフェースが用いられる。

コントローラ１００は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって構成される。具体的には、ＲＯＭ４３やＨＤＤ４４等の不揮発性記憶媒体に格納されたファームウェア等の制御プログラムが、ＲＡＭ４２にロードされ、それらのプログラムに従ってＣＰＵ４１が演算を行うことにより構成されるソフトウェア制御部と集積回路などのハードウェアとによってコントローラ１００が構成される。コントローラ１００は、造形装置１全体を制御する制御部として機能する。

主制御部１０１は、コントローラ１００に含まれる各部を制御する役割を担い、コントローラ１００の各部に命令を与える。エンジン制御部１０２は、３Ｄプリントエンジン１２０を制御若しくは駆動する駆動手段としての役割を担う。入出力制御部１０３は、通信Ｉ／Ｆ１３０を介して入力される信号や命令を主制御部１０１に入力する。また、主制御部１０１は、入出力制御部１０３を制御し、通信Ｉ／Ｆ１３０及びネットワークを介して他の装置にアクセスする。

画像処理部１０４は、主制御部１０１の制御に従い、３Ｄプリントエンジン１２０に出力すべき造形情報を生成する。より具体的には、３Ｄ画像データ記憶部１４０に記憶された３Ｄ画像データを解析し、３次元画像上における直交３軸座標（ｘ、ｙ、ｚ）を算出する。次いで、この画像データ上の直交３軸座標（ｘ、ｙ、ｚ）を、三次元構造物を造形出力するために用いる３次元実空間座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に変換する。これは、吐出ヘッド２０、レーザ装置３０、及び基板１３は３次元実空間座標で定義された座標に従って相対移動するためのである。画像処理部１０４は、実空間座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）をエンジン制御部１０２に出力する。エンジン制御部１０２は３Ｄプリントエンジン１２０に対して３次元実空間座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に一致するように基板１３と、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０と、を相対移動させ、３Ｄプリント処理を実行する。

３Ｄ画像データ記憶部１４０は、三次元構造物を造形出力させるための３次元画像データを記憶する。３Ｄ画像データの例として、例えば、Ｘ線ＣＴ装置（Ｘ−ｒａｙＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、磁気共鳴イメージング装置、超音波診断装置などの医用画像撮像装置により被検体を撮像して得られた３次元医用画像データや、航空、自動車、電子、金型成形等の工業分野における部品や試作品の３次元ＣＡＤデータ（ＣＡＤ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）でもよい。

操作表示制御部１０５は、ディスプレイパネル１１０に情報表示を行い若しくはディスプレイパネル１１０を介して入力された情報を主制御部１０１に通知する。

＜第一実施形態＞
第一実施形態は、造形材として、金属粉体の表面に固定材を付着させた粉体を用いる実施形態である。本実施形態では、固定材として樹脂バインダーを用いる。まず、図４を参照して、第一実施形態に係る造形処理の全体の流れについて説明する。図４は、第一実施形態に係る造形処理の流れを示すフローチャートである。

図４に示すように、主制御部１０１が３Ｄ画像データ記憶部１４０に記憶された３Ｄ画像データを読み出し、画像処理部１０４が３Ｄ画像データを解析して造形情報を生成する（Ｓ４０１）。

生成された造形情報は、エンジン制御部１０２を介して３Ｄプリントエンジン１２０に出力される（Ｓ４０２）。造形情報は、３Ｄ画像データのうち、Ｚ軸方向の座標が最も小さいＸ−Ｙ平面から順に出力される。これは、本実施形態における造形方法では、三次元構造物の最下層から順に造形するためである。

３Ｄプリントエンジン１２０は、造形情報に基づいて、基板１３上の所定箇所に造形材を吐出する（Ｓ４０３）。このステップＳ４０３が吐出工程に相当する。この吐出工程では、基板１３上（Ｘ−Ｙ平面）のうち、三次元構造物の組成物が造形される箇所にのみ、造形材が吐出される。

次に加熱装置５０の熱により、造形材に含まれる樹脂バインダーを溶融し、金属粉体を支持体である基板１３に固定する（Ｓ４０４）。このステップＳ４０４が固定粉体層形成工程に相当する。

次いで、レーザ装置３０により、固定粉体層を焼結させ、焼結層を形成する（Ｓ４０５）。このステップＳ４０５が焼結工程に相当する。

Ｚ軸方向の全位置におけるＸ−Ｙ平面上での造形処理が終わっていなければ（Ｓ４０６／Ｎｏ）、３Ｄプリントエンジン１２０は、基板１３と、吐出ヘッド２０及びレーザ装置３０との距離を次の焼結層の生成に適した距離になるように相対移動させる（Ｓ４０７）。そしてステップＳ４０２へ戻り、次のＺ軸方向の位置におけるＸ−Ｙ平面の造形情報を出力する。なお、ステップＳ４０２へ戻ってから実行される２巡目以降では、直前に行われた焼結工程で形成された焼結層の上に造形材が吐出され、この焼結層に接触する造形材に含まれる樹脂バインダーにより金属粉体が焼結層に固定される。よって、２巡目以降では、直前に形成された焼結層又は吐出された造形材が接触する焼結層が、金属粉体を固定する対象となる支持体に相当する。Ｚ軸方向の全位置におけるＸ−Ｙ平面上での造形処理が終わっていれば（Ｓ４０６／Ｙｅｓ）、処理を終了する。

次に図５を参照して、吐出工程、固定粉体層形成工程、及び焼結工程の詳細について説明する。図５は、第一実施形態に係る造形処理を示す説明図である。

（吐出工程）
図５に示すように、三次元構造物の最下層を形成する工程（１巡目）では、ステージ１２（図1参照）上に固定載置された基板１３を支持体として用いる。基板１３及びステージ１２と吐出ヘッド２０とを相対移動させながら、基板１３上の所望の位置に、吐出ヘッド２０から造形材を吐出する。本実施形態では、造形材として、金属粉体５０１、例えばＳＵＳ粉体（ＳＵＳ：ステンレス鋼）の表面に樹脂バインダー５０２を付着させた造形材５０３を用いる。上記「基板１３上の所望の位置」とは、造形対象となる三次元構造物のうち、金属粉体を焼結させた焼結層が存在する位置をいう。よって、三次元構造物５１３が焼結層を積層させた構造体５１１と、焼結層を含まない空領域５１２とを含む場合には、空領域５１２に対応する基板１３上の位置に造形材５０３を吐出しない。これにより、造形材を熱処理（焼結）させた後、空領域を形成するために焼結層を切削する必要がなくなり、造形材の無駄を省くことができる。

（固定粉体層形成工程）
固定粉体層形成工程では、加熱装置５０により樹脂バインダーを過熱して溶融させた後、ガラス化させることにより、金属粉体５０１を基板１３に固定して固定粉体層５０４を形成する。加熱装置５０は、造形材５０３の表面温度が樹脂バインダー５０２のガラス転移点、例えば６０℃以上になるように加熱処理を行う。加熱装置としては、例えばステージ１２にホットプレートを一体的に形成、又はステージ１２とは別体に形成し、ステージ１２に載置された基板１３を加熱するように構成してもよい。図５の固定粉体層形成工程では、造形材５０３を１層だけ図示しているが、造形材５０３を複数層配置した後、樹脂バインダー５０２を溶融して、ガラス化させてもよい。

（焼結工程）
基板１３及びステージ１２（図１参照）と、レーザ装置３０とを相対移動させながら、固定粉体層５０４に対しレーザ光を照射し、焼結層５０５を形成する。レーザ装置３０は、例えばＣＯ_２レーザ（炭酸ガスレーザー：Ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｌａｓｅｒ）装置を用いてもよい。レーザ光の熱により、樹脂バインダー５０２を溶融及び除去すると共に金属粉体５０１を焼結させて金属粉体５０１の粒子間を繋げて焼結層を形成する。この焼結工程において、樹脂バインダー５０２がレーザ光を吸収するため、低出力レーザ、例えば５０ＷのＣＯ_２レーザ装置を用いても、金属粉体５０１を溶融して焼結層を形成することができる。

以後、吐出工程、固定粉体層形成工程及び焼結工程を繰り返し、直前に形成された焼結層に造形材５０３を吐出して固定粉体層を形成し、これにレーザ光を照射して焼結処理を行う。これにより、焼結層を積層させて、三次元構造物５１３を形成する。なお、２巡目以降の固定粉体層形成工程では、焼結層を形成したときの余熱を用いて樹脂バインダー５０２を溶融・ガラス化させて焼結層に固定させてもよい。

本実施形態によれば、粉体の造形材を吐出後、粉体を固定してからレーザを照射するので、レーザ照射までの間に粉体の流動性により基板上の所定の位置から粉体がずれることを防ぐことできる。そのため、三次元構造物の造形精度を向上させることができる。また、基板上に一律に造形材を吐出してから切削するのではなく、基板上における三次元構造物の構造体に対応する位置にのみ吐出すればよいので、造形材の無駄を省くことができ、表面の滑らかさを向上させることができる。

更に、樹脂バインダーがレーザ光を吸収するので、低出力のレーザを用いて造形することができる。また、レーザ光の焦点を金属粉体の吐出位置に合わせながら走査をするのではなく、固定粉体層を形成してから焼結するので、レーザ光の走査速度を比較的高速にすることができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態は、複数種類の造形材を使い分けて、複数種類の焼結層を含む複合三次元構造物を造形する実施形態である。以下、図６に基づいて第二実施形態について説明する。図６は、第二実施形態に係る造形処理を示す説明図である。

以下では、二種類の造形材を用いて造形処理を行う場合を例に挙げて説明するが、三種類以上の造形材を用いてもよい。図６に示すように、第二実施形態で用いる第１の造形材６０３は金属粉体６０１を用い、その表面に樹脂バインダー６０２が付着されている。この金属粉体６０１として、例えば、ニッケル粉体、ＳＵＳ粉体、銅粉体、アルミニウム粉体等を用いることができる。

また、第二実施形態で用いる第２の造形材６１３は非金属粉体６１１を用い、その表面に樹脂バインダー６１２が付着されている。非金属粉体６１１としては窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのセラミック、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３；アルミナとも呼ばれる）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の粉体を用いることができる。さらに、非金属粉体として、半導体性がある炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いてもよい。第１の造形材及び第２の造形材に用いる樹脂バインダーの種類は同一でも異なってもよい。本実施形態では、第２の造形材にセラミック粉体を用い、セラミック及び金属を含む複合三次元構造物６２３を形成する。

画像処理部１０４（図３参照）は、３次元画像データを解析し、第１の造形材６０３又は第２の造形材６１３を用いる領域を判定し、造形材の種類を示す情報及びその造形材の吐出位置を示す情報を含んだ造形情報に生成し、エンジン制御部１０２を介して３Ｄプリントエンジン１２０に出力する。

例えば、図６に示すように、中心部に非金属６２２を、その周辺に金属層６２１を配置した複合三次元構造物６２３を構成する場合、吐出工程において、基板１３の中心部に第２の造形材６１３、その周辺に第１の造形材６０３を吐出、着弾させる。

本実施形態に係る造形装置は、ヘッドベース２２に第１の造形材６０３及び第２の造形材６１３のそれぞれを貯留する二つのタンク２１を搭載する。そして、図示しない原料供給用パイプにより、各タンク２１と吐出ヘッド２０とを連結するとともに、各タンク２１の供給路を切り替えるための弁を設け、この弁の開閉動作により、二つのタンク２１のどちらか一方から造形材が供給されるように構成してもよい。この場合、エンジン制御部１０２からの造形情報に基づいて弁の開閉動作を行い、第１の造形材６０３又は第２の造形材６１３を吐出ヘッド２０から吐出し、基板１３の所定の位置に着弾させる。または、吐出ヘッド２０も二つ備え、吐出ヘッド２０のそれぞれと、上記二つのタンク２１のそれぞれとを、二つの原料供給用パイプのそれぞれにより連結して構成してもよい。

次いで、固定粉体層形成工程において、加熱装置５０（図１参照）を用いて樹脂バインダー６０２、６１２を溶融し、ガラス化させて第１の固定粉体層６０４、及び第２の固定粉体層６１４を形成する。

次いで、焼結工程において、レーザ装置３０、及び基板１３を相対移動させて、第１の造形材６０３及び第２の造形材６１３を焼結し、第１の焼結層６０５、及び第２の焼結層６１５を形成する。このとき、造形材の種類によって、レーザ出力を変更してもよい。

例えば、第１の造形材６０３に含まれる金属粉体６０１と第２の造形材６１３に含まれる非金属粉体６１１の融点が異なる場合には、それぞれを焼結させるために必要なレーザ出力が異なる。よって、レーザ装置３０の出力値を第１の造形材６０３及び第２の造形材６１３に合わせて増減したり、また出力レベルが異なるレーザ装置３０を複数搭載して、第１の造形材６０３及び第２の造形材６１３に合った出力レベルを用いて焼結処理を実行するように構成してもよい。本実施形態では、波長９８０ｎｍの半導体レーザを用い、セラミック領域と金属領域とでは、レーザ出力を調整して照射する。

また、金属粉体を用いる第１の造形材６０３を固定して形成された固定金属粉体層のみを焼結処理して金属粉体焼結層を形成し、非金属粉体を用いる第２の造形材６１３は、樹脂バインダーのガラス化により固定した固定非金属粉体層を形成する。そして、金属粉体焼結層及び固定非金属粉体層を含む複合三次元構造物を構成してもよい。すなわち、この複合三次元構造物の造形処理では、固定粉体層の一部領域（金属粉体領域）のみを焼結させ、非金属粉体領域は、樹脂バインダーのガラス化により固定し、金属焼結層及び固定非金属粉体層を積層して複合三次元構造物を構成する。

上記吐出工程、固定粉体層形成工程、及び焼結工程を繰り返すことで中心部はセラミック層（非金属層）６２２、その周辺部は金属層６２１により構成された複合三次元構造物６２３を造形することができる。

上記では、金属粉体を用いた第１の造形材、及び非金属粉体を用いた第２の造形材を用いて複合三次元構造物を造形する実施形態について説明したが、造形材の組み合わせはこれに限らない。例えば、主組成が異なる金属粉体を用いた複数種類の造形材を用いて複合三次元構造物を造形してもよい。例えば、第１の造形材として、鉄系の金属粉体、例えばＳＫＤ６１（ＪＩＳ規格合金工具鋼鋼材の一つ）を用い、第２の造形材として銅系の金属粉体を用いてもよい。また、主組成が異なる非金属粉体を用いた複数種類の造形材を用いて複合三次元構造物を造形してもよい。例えば、第１の造形材はセラミック粉体を用い、第２の造形材は、炭化ケイ素粉体を用いてもよい。

＜第三実施形態＞
第三実施形態は、架橋材を用いて支持体に造形材をより強固に固定してから焼結処理を行う実施形態である。以下、図７に基づいて第二実施形態について説明する。図７は、第三実施形態に係る造形処理を示す説明図である。

以下の説明では、金属粉体７０１の表面に樹脂バインダー７０２を付着させた造形材７０３、例えばＳＵＳ３１６粉体の周りに樹脂バインダーを付着させた造形材を例に挙げて説明するが、造形材は、非金属粉体を用いたものでもよい。

本実施形態は、第一実施形態と同様、吐出工程、固定粉体層形成工程、及び焼結工程を繰り返すことで、固定粉体層７０４及び焼結層７０５を形成し、三次元構造物７１３を造形する。これらの工程の内、特に固定粉体層形成工程に本実施形態の特徴がある。より具体的には、吐出工程後、造形材７０３は基板１３の上面に接触して載置される。この状態で、造形材７０３を、架橋材の水溶液７０６に浸す。これによって造形材７０３に架橋材の水溶液７０６を付与する。架橋材の一例として、オキシ塩化ジルコニウム八水和物の水溶液を用いてもよい。そして、この造形材７０３を樹脂バインダー７０２のガラス転移温度以上、例えば８０℃に加熱する。以後、第一実施形態と同様、焼結処理を実行する。その後、吐出処理、固定粉体層形成工程、及び焼結工程を繰り返すことで、三次元構造物７１３を造形する。

本実施形態によれば、造形材を架橋材の水溶液に浸して、樹脂バインダーのガラス転移温度以上に加熱することにより、水を蒸発させつつ、液体又はゴム状態になった樹脂バインダーを架橋することができ、粉体を支持体により強固に固定することができる。これにより、粉体が所望の位置からずれることを防ぎ、三次元構造物の形状精度を向上させることができる。

上記各実施形態は、本発明を実施するための一例にすぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での種々の変更態様がありうる。例えば、上記では、造形材として、金属粉体または非金属粉体の表面に樹脂バインダーを付着させたものを用いたが、金属粉体または非金属粉体を吐出ヘッドから吐出し、これに樹脂バインダーを別途吐出ヘッドから吐出してもよい。これにより、一般的な造形材、例えば金属粉体または非金属粉体のみからなる造形材を用いて三次元構造物を造形する場合にも、本発明を適用することができる。また、樹脂バインダーを付着させた粉体と、樹脂バインダーを付着させていない粉体と、を混合させて造形材を構成してもよい。一般に、樹脂バインダーを付着させた粉体は、樹脂バインダーを付着させていない粉体よりも高価になるので、樹脂バインダーを付着させた粉体のみを用いた造形材よりも、上記の混合物の方が製造原価を下げることができる。なお、この場合の混合比率は、固定材が粉体を支持体に固定できる程度の混合比率を用いる。更に、上記では固定材として樹脂バインダーを用い、熱反応のみ又は熱反応と化学反応（架橋）を用いて粉体の固定を行ったが、紫外線硬化樹脂からなる樹脂バインダーを用いて、光反応のみ又は光反応とその他の反応とを用いてもよい。

１造形装置
１０架台
１１Ｙ軸駆動装置
１２ステージ
１３基板
１４Ｘ軸駆動装置
１４ＲＸ軸レール
１５支持枠体
１６第１のＺ軸駆動装置
１６ＲＺ軸レール
１７第２のＺ軸駆動装置
１７Ｐ支柱
２０吐出ヘッド
２１タンク
２２ヘッドベース
３０レーザ装置
３１レーザ支持部材
４０制御装置
４１ＣＰＵ
４２ＲＡＭ
４３ＲＯＭ
４４ＨＤＤ
４５Ｉ／Ｆ
４６ＬＣＤ
４７操作部
４８バス
５０加熱装置
１００コントローラ
１０１主制御部
１０２エンジン制御部
１０３入出力制御部
１０４画像処理部
１０５操作表示制御部
１１０ディスプレイパネル
１２０３Ｄプリントエンジン
１３０通信Ｉ／Ｆ
１４０３Ｄ画像データ記憶部
５０１金属粉体
５０２樹脂バインダー
５０３造形材
５０４固定粉体層
５０５焼結層
５１１構造体
５１２空領域
５１３三次元構造物
６０１金属粉体
６０２樹脂バインダー
６０３第１の造形材
６０４第１の固定粉体層
６０５第１の焼結層
６１１非金属粉体
６１２樹脂バインダー
６１３第２の造形材
６１４第２の固定粉体層
６１５第２の焼結層
６２１金属層
６２２非金属層
６２３複合三次元構造物
７０１金属粉体
７０２樹脂バインダー
７０３造形材
７０４固定粉体層
７０５焼結層
７０６架橋材水溶液
７１３三次元構造物

特開２０００−７３１０８号公報特表２００５−５０９５２３号公報

Claims

三次元構造物を造形する三次元構造物の造形方法において、
少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する工程と、
前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光照射することで、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体を前記樹脂バインダーにより固定させる固定粉体層形成工程と、
前記固定粉体層形成工程で形成された固定粉体層の所定領域を焼結する焼結工程と、
を少なくとも含む三次元構造物の造形方法。
前記固定粉体層形成工程で形成された固定粉体層の所定領域を焼結する焼結工程は、レーザ装置から出力されるレーザ光によって当該粉体の粒子間を焼結する工程であり、
前記レーザ装置からの出力は、前記第一の造形材の層と前記第二の造形材の層に対して異なることを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物の造形方法。
前記第一の造形材の層と前記第二の造形材の層の形成工程の後、架橋材が付与されることを特徴とする請求項１の三次元構造物の造形方法。
前記樹脂バインダーは、紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項１の造形方法。
前記第一の造形材に含まれる粉体は金属であり、前記第二の造形材に含まれる粉体はセラミックであることを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物の造形方法。
三次元構造物を造形する三次元構造物の造形装置において、
少なくとも粉体および樹脂バインダーを含む第一の造形材の層と、少なくとも前記粉体と組成は異なる粉体を含む第二の造形材の層を同一層として形成する手段と、
前記樹脂バインダーのガラス転移点以上の温度で前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層を加熱するか、または前記樹脂バインダーに光を照射する手段と、
前記層を加熱するか、または光を照射する手段により形成された固定粉体層の所定領域を焼結する手段と、
を少なくとも有し、
前記層を加熱もしくは光照射した後に、前記第一の造形材の層及び前記第二の造形材の層のそれぞれに含まれる粉体が前記樹脂バインダーにより固定され、
前記樹脂バインダーにより固定された固定粉体層の所定領域が焼結される、
ことを特徴とする三次元構造物の造形装置。