CN105458253A - 三维形成装置以及三维形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维形成装置以及三维形成方法。其目的在于，利用三维形状造型物的形成所需量的材料形成期望的形状，避免材料的浪费并且提高能量线的利用效率。三维形成装置具备：包括：材料供给单元，将混匀了金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给到载物台；以及加热单元，向从所述材料供给单元所供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量；所述三维形成装置还具备驱动单元，该驱动单元使所述材料供给单元和所述加热单元相对于所述载物台能够相对地三维移动，所述材料供给单元向所述载物台上的所期望的位置供给预定量的所述被烧结材料，从所述加热单元向所供给的所述被烧结材料供给所述能量。

Description

三维形成装置以及三维形成方法
技术领域
本发明涉及三维形成装置以及三维形成方法。
背景技术
以往，作为使用金属材料来简单地形成三维形状的制造方法，公开有如专利文献1所示那样的方法。在专利文献1所公开的三维形状造型物的制造方法中，使用在原料中具有金属粉末、溶剂、粘着增进剂的金属膏形成层状的材料层。然后，对层状的材料层照射光束而形成金属的烧结层或者金属的熔融层，通过重复进行材料层的形成、光束的照射来层叠烧结层或者熔融层，得到所期望的三维形状造型物。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-184622号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但在专利文献1所公开的三维形状造型物的制造方法中，仅有层状供给的材料层的一部分通过光束的照射来烧结或者熔融，形成为造型物的一部分，没有被照射光束的材料层只不过是要去除的浪费部分。另外，针对预定的光束的照射区域，在该附近虽不完全但也产生烧结或者熔融的材料层，该不完全部分附着到通过所期望的烧结或者熔融来形成了的部分，从而存在造型物的形状变得不稳定这样的不良状况。
因此，本发明的目的在于，在预定的位置供给三维造型物的形成所需的量的材料，对所供给了的材料照射促使进行烧成或者熔融的能量线，成形为所期望的形状，从而避免材料的浪费，并且提高能量线的利用率。
解决技术问题的技术方案
本发明是为了解决上述的问题的至少一部分而完成的，能够实现为以下的方式或者应用例。
〔应用例1〕本应用例的三维形成装置的特征在于，包括：材料供给单元，将混匀了金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给到载物台；以及加热单元，向从所述材料供给单元所供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量；所述三维形成装置还具备驱动单元，该驱动单元使所述材料供给单元和所述加热单元相对于所述载物台能够相对地三维移动，所述材料供给单元向所述载物台上的期望位置供给预定量的所述被烧结材料，从所述加热单元向所供给的所述被烧结材料供给所述能量。
根据本应用例的三维形成装置，向形成要形成的三维形状造型物的形状的区域供给所需量的烧结材料，通过加热单元向所供给的烧结材料供给能量，所以能够削减材料供给的损失、供给能量的损失。
此外，在本应用例中，“能够烧结”中的烧结是指通过向供给材料供给能量，使构成供给材料的粘合剂在供给能量的作用下蒸发，然后，剩余的金属粉末彼此通过供给能量而金属结合。此外，在本说明书中，对金属粉末进行熔融结合的方式也通过供给能量来使金属粉末结合，作为烧结来进行说明。
〔应用例2〕在上述的应用例中，其特征在于，所述驱动单元具备控制单元，该控制单元以使所述加热单元追随所述材料供给单元的移动路径的方式控制所述加热单元的移动路径。
根据上述的应用例，追随材料供给单元的移动路径而驱动加热单元，使从材料供给单元所供给的被烧结材料依次烧结或者熔融，形成预定形状，从而防止对能量照射前所供给的被烧结材料的热影响、例如产生被烧结材料的变质、变形，能够形成质量优良的三维形状造型物。
〔应用例3〕在上述的应用例中，其特征在于，所述三维形成装置具备多个所述材料供给单元，供给至少2种具有不同组成的所述被烧结材料。
根据上述的应用例，能够具备针对不同组成的每个组成供给被烧结材料的材料供给单元，从而通过每个组成的各材料供给单元的材料供给以及加热单元，能够实现不同材料的烧结或者熔融，能够容易地形成由2种以上的组成材料构成的造型物。
〔应用例4〕在上述的应用例中，其特征在于，所述加热单元是激光照射单元。
根据上述的应用例，能够向成为目标的供给材料集中照射能量，从而能够形成质量优良的三维形状造型物。另外，例如按照被烧结材料的种类，能够容易地控制照射能量(功率、照射时间、扫描速度)，从而能够得到所期望质量的三维形状造型物。
〔应用例5〕本应用例的三维形成方法包括：材料供给工序，将混匀了金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给成期望形状；单层形成工序，通过烧结工序来形成单层，该烧结工序朝向通过所述材料供给工序而供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量而使所述被烧结材料烧结；以及层叠工序，层叠于通过所述单层形成工序而形成的第一单层，并通过所述单层形成工序来形成第二单层，通过重复预定次数的所述层叠工序来形成三维形状造型物，其特征在于，在所述单层形成工序中，在结束所述材料供给工序之前开始所述烧结工序，并追随所述被烧结材料的供给而进行所述能量的供给，从而烧结所述被烧结材料。
根据本应用例的三维形成方法，形成要形成的三维形状造型物的形状的区域供给所需量的被烧结材料，通过加热单元朝向所供给的被烧结材料供给能量，所以能够削减材料供给的损失、供给能量的损失。另外，追随材料供给单元的移动路径而驱动加热单元，使从材料供给单元所供给的被烧结材料依次进行烧结或者熔融，形成为预定形状，从而能够防止产生对能量照射前所供给的被烧结材料的热影响、例如被烧结材料的变质、变形，形成品质优良的三维形状造型物。
〔应用例6〕在上述的应用例中，其特征在于，在所述层叠工序中，形成在重力方向上支承所述单层的支承部，所述支承部是在所述烧结工序中不被照射所述能量的未烧结部。
根据上述的应用例，能够防止所供给的烧结或者熔融前的膏状的柔软的被烧结材料由重力所导致的变形、所谓的自重所导致的变形，能够将三维形状造型物形成为期望的形状。
〔应用例7〕在上述的应用例中，其特征在于，所述三维形成方法具备支承部去除工序，该支承部去除工序去除所述支承部。
根据上述的应用例，支承部是未烧结部的状态，能够容易地去除。因此，即使在任意的位置形成支承部，也不会损害作为成品的三维形状造型物的形成，能够得到具备准确形状的三维形状造型物。
〔应用例8〕本应用例的三维形成装置的特征在于，第1臂具备材料供给喷嘴，该材料供给喷嘴用作将混匀金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给到载物台的材料供给单元，第2臂具备加热装置，该加热装置用作向从所述材料供给单元所供给的所述被烧结材料供给能够烧结所述被烧结材料的能量的加热单元，所述三维形成装置具备驱动单元，该驱动单元使所述第1臂和所述第2臂相对于所述载物台能够相对地三维移动，所述材料供给单元向所述载物台上的期望位置供给预定量的所述被烧结材料，从所述加热单元向所供给的所述被烧结材料供给所述能量。
根据本应用例的三维形成装置，对形成要形成的三维形状造型物的形状的区域，从第1臂的材料供给喷嘴供给所需量的烧结材料，通过第2臂的加热装置向所供给的烧结材料供给能量，所以能够削减材料供给的损失、供给能量的损失。
〔应用例9〕在上述的应用例中，其特征在于，所述第1臂以及所述第2臂具备多个关节。
根据上述的应用例，还能够形成复杂的形状，能够有效地形成三维形成造型物。
〔应用例10〕本应用例的三维形成装置的特征在于，所述三维形成装置具有控制构件，该控制构件包括：对具有材料供给喷嘴的第1臂和具有加热装置的第2臂进行驱动控制的驱动控制部；对被供给被烧结材料的载物台进行驱动控制的驱动控制部；对第1臂所具有的材料供给喷嘴进行动作控制的动作控制部；以及对第2臂所具有的加热装置进行动作控制的动作控制部。
根据本应用例的三维形成装置，根据例如从个人计算机等数据输出装置输出的三维形状造型物的造型用数据，能够控制第1臂、第2臂、载物台、材料供给喷嘴、加热装置，能够得到成品精度高的三维形状造型物。
〔应用例11〕在上述的应用例中，其特征在于，所述控制构件具备使第1臂、第2臂、载物台、材料供给喷嘴和加热装置协同动作的控制部。
根据上述的应用例，第1臂、第2臂、载物台、材料供给喷嘴、加热装置协同动作、驱动，所以在复杂形状的形成中也能够有效地形成三维形成造型物。
附图说明
图1是示出第1实施方式的三维形成装置的概略结构图。
图2是示出第2实施方式的三维形成装置的概略结构图。
图3是示出第3实施方式的三维形成装置，(a)是概略结构图，(b)是(a)所示的A部局部放大图。
图4是示出第3实施方式的三维形成装置所具备的气体供给部，(a)是概略剖面图，(b)以及(c)示出(a)所示的B-B′部的剖面。
图5是示出第4实施方式的三维形成方法的流程图。
图6是示出第4实施方式的三维形成方法的工序的剖面图。
图7是示出第4实施方式的三维形成方法的工序的剖面图。
图8是示出第5实施方式的三维形状造型物，(a)是俯视外观图，(b)是侧面外观图。
图9是示出第5实施方式的三维形成方法的流程图。
图10是示出第5实施方式的三维形成方法的工序的剖面图。
图11是示出通过第5实施方式的三维形成方法形成的三维形状造型物的其他例子，(a)、(b)是俯视外观图，(c)是剖面图。
附图标记说明
10…基台；20…载物台；21…试样板；30…机器人；40…喷嘴；50…激光照射装置；60…控制构件；70…材料供给构件；100…三维形成装置。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1是示出第1实施方式的三维形成装置的构成的概略结构图。此外，本说明书中的“三维形成”表示形成所谓的立体造型物，例如即使是平板状、所谓的2维形状的形状，也包括形成具有厚度的形状的情况。
如图1所示，三维形成装置100具备基台10、配备为通过在基台10上设置的未图示的驱动单元能够沿图示的Z方向驱动的载物台20、以及支承后述的材料供给单元与加热单元并用作能够移动的驱动单元的机器人30。然后，在载物台20上，形成为三维形状造型物200的过程中的部分造型物201、202、203层状地形成。关于三维形状造型物200的形成在后面叙述，但由于进行基于激光的热能量的照射，所以为了保护载物台20不受热量的影响，也可以使用具有耐热性的试样板21，在试样板21上形成三维形状造型物200。作为试样板21，例如通过使用陶瓷板，能够得到高的耐热性，进而，与烧结或者熔融的供给材料的反应性也低，能够防止三维形状造型物200的变质。此外，在图1中，为了方便说明，例示了部分造型物201、202、203这3层，但可以层叠到所期望的三维形状造型物200的形状。
如图所示，机器人30具备第1臂31、第2臂32的所谓的双臂型机器人。在第1臂31的第1手部31a中，持握或者固定有作为供给作为三维形状造型物200的材料的被烧结材料的材料供给单元的材料供给喷嘴40(以下、称为喷嘴40)。在第2臂32的第2手部32a中，持握或者固定有作为加热单元的激光照射装置50。
在机器人30中，各臂31、32具备多个关节(自由度)，手部31a、32a的驱动能够在三维方向、即图示的X轴、Y轴、Z轴方向上驱动。除该臂31、32的动作之外，还能够通过在基台10上设置的载物台20的Z方向的移动，使得在第1手部31a中持握或者固定着的喷嘴40、以及在第2手部32a中持握或者固定着的激光照射装置50相对于载物台20相对地进行三维移动。另外，在臂31、32上设置的手部31a、32a相对于关节部能够旋转地连接，例如能够以分别沿X轴、Y轴、Z轴的轴作为旋转轴而旋转。此外，在三维形成装置100中，Z轴方向是沿重力方向的方向。
三维形成装置100具备作为控制单元的控制构件60，该控制构件60例如根据从未图示的个人计算机等数据输出装置输出的三维形状造型物200的造型用数据，控制上述的载物台20、机器人30、喷嘴40以及激光照射装置50。在控制构件60中，虽然未图示，至少具备机器人30的第1臂31与第2臂32的驱动控制部、载物台20的驱动控制部、喷嘴40的动作控制部、以及激光照射装置50的动作控制部。然后，控制构件60具备使机器人30、载物台20、喷嘴40、以及激光照射装置50协同驱动、动作的控制部。
配备为能够在基台10上移动的载物台20根据来自控制构件60的控制信号，在载物台控制器61中生成控制载物台20的移动开始与停止、移动方向、移动量、移动速度等的信号，发送到设于基台10上的未图示的驱动装置而进行驱动。
在第1臂31的第1手部31a中持握或者固定着的喷嘴40根据来自控制构件60的控制信号，在材料供给控制器62中生成用于控制来自喷嘴40的材料供给量等的信号，从喷嘴40供给适量的材料。
在喷嘴40处，从材料供给构件70延伸设置并连接作为材料供给路径的供给管70a。在材料供给构件70中，作为供给材料容纳有包含通过本实施方式的三维形成装置100来进行造型的三维形状造型物200的原料的被烧结材料。作为供给材料的被烧结材料，是将成为三维形状造型物200的原料的金属、例如镁(Mg)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、AL(铝)、钛(Ti)、镍(Ni)的单质粉末、或者包括其中1种以上的合金等的混合粉末，在溶剂和作为粘合剂的增稠剂中混匀而得到的悬浮液状(或者膏状)的混合材料。此外，金属粉末优选平均粒径为10μm以下，溶剂优选为水、水溶性的溶剂，作为增稠剂，优选使用具有PVA(聚乙烯醇)、CeNF(纳米纤维素)等羟基的物质。另外，例如，也能够使用PLA(聚乳酸)、PA(聚酰胺)、PPS(聚苯硫醚)等热塑性树脂。在使用热塑性树脂的情况下，喷嘴40以及材料供给构件70被加热而维持热塑性树脂的柔软性。另外，作为溶剂，通过使用硅油等，能够提高供给性。
在第2臂32的第2手部32a中持握或者固定着的激光照射装置50根据来自控制构件60的控制信号，通过激光振荡器63来对预定输出的激光进行振荡，从激光照射装置50的照射部(未图示)照射激光。激光照射到从喷嘴40排出的供给材料，对供给材料中包含的金属粉末进行烧结或者熔融并进行固化。此时，供给材料中包含的溶剂以及增稠剂同时通过激光的热量而蒸发。本实施方式的三维形成装置100中使用的激光没有特别限定，但光纤激光或者二氧化碳激光存在波长长且金属的吸收效率高的优点，所以优选使用。另外，由于输出高而能够缩短造型时间，所以更优选光纤激光。
关于来自喷嘴40的供给材料的供给，沿着喷嘴40的移动路径而进行供给，其中，该喷嘴40的移动路径基于由控制构件60取得的三维形状造型物200的造型数据。另外，激光照射装置50也同样地形成基于由控制构件60取得的三维形状造型物200的造型数据的喷嘴40的移动路径、即沿着供给材料的供给区域形成移动路径。来自激光照射装置50的激光照射优选以追随来自喷嘴40的材料供给的方式进行。
追随是指：例如在形成部分造型物201的情况下，至少在沿着部分造型物201的形状从喷嘴40的供给材料供给结束之前开始从激光照射装置50照射激光。优选的是，使喷嘴40、激光照射装置50接近地追随移动。此外，喷嘴40与激光照射装置50之间的距离在对刚从喷嘴40的材料供给口排出之后的供给材料不造成热量影响的范围内适当设定，优选在喷嘴40的移动路径的区间维持其距离。
第1实施方式的三维形成装置100沿着三维形状造型物200的造型形状，从喷嘴40进行供给材料的供给，通过来自追随喷嘴40而移动的激光照射装置50的激光照射来依次进行烧结或者熔融，形成三维形状造型物200。作为形成层状地形成的部分造型物201、202、203的一个例子，在部分造型物201的形成中，设想先按照部分造型物201的形状供给被烧结材料(烧结前材料)，其后，从激光照射装置50照射激光并进行烧结的动作的情况。在该动作中，有可能激光的能量针对与激光照射装置50相离的区域的未烧结部产生热影响，烧结前的供给材料发生变质或者变形，难以得到所期望的质量、形状的三维形状造型物200。
但是，在本实施方式的三维形成装置100中，沿着三维形状造型物200的部分造型物201的层状造型形状，从喷嘴40进行供给材料的供给，通过来自追随喷嘴40而移动的激光照射装置50的激光照射来依次进行烧结或者熔融，从而形成部分造型物201，所以能够可靠地形成层状地构成所期望的部分造型物的三维形状造型物200。进而，根据三维形成装置100，仅对部分造型物形状的区域供给材料，所以能够进行材料的损失少的三维形成。
在本实施方式的三维形成装置100中，作为喷嘴40以及激光照射装置50的移动驱动单元，例示了双臂的机器人30，但不限定于此，例如，也可以分别通过多关节机器人或者直角坐标机器人来驱动喷嘴40以及激光照射装置50。
(第2实施方式)
图2是示出第2实施方式的三维形成装置的结构图。图2所示的三维形成装置110相对于第1实施方式的三维形成装置100，示出在将供给材料设为多种(在本方式中为2种)的情况下的方式，对与第1实施方式的三维形成装置100相同的构成要素附加相同的附图标记，省略其说明。
如图2所示，三维形成装置110具备第1材料供给构件71、以及第2材料供给构件72。在第1材料供给构件71中，延伸设置有成为材料供给的路径的第1供给管71a，其端部与第1喷嘴41连接。同样地，在第2材料供给构件72中，延伸设置有成为材料供给的路径的第2供给管72a，其端部与第2喷嘴42连接。
第1材料供给构件71与第2材料供给构件72分别容纳有不同的供给材料。然后，根据与所供给的材料相关的来自控制构件60的指示，第1臂31所具备的第1手部31a选择把持第1喷嘴41或者第2喷嘴42中的所期望的喷嘴，进行供给材料的供给。
在本实施方式的三维形成装置110中，对从第1材料供给构件71或者第2材料供给构件72的某一个所供给的被烧结材料即供给材料进行烧结或者熔融而形成部分造型物，其后，从另一个材料供给构件进行供给材料的供给，进行烧结或者熔融而形成部分造型物，能够形成部分造型物211、部分造型物212或者部分造型物213。
在本例中，例示了2个材料供给构件71、72，但不限定于此，能够具备3个以上的材料供给构件，使用3种以上的不同的供给材料来形成三维形状造型物210。另外，也可以在材料供给构件71、72中容纳相同的供给材料。即，能够用作在供给材料达到大量的情况下或者在某一个材料供给构件故障时的备用材料供给构件。
(第3实施方式)
图3是示出第3实施方式的三维形成装置120的结构图。图3的(a)所示的三维形成装置120相对于第1实施方式的三维形成装置100，是加热单元的构成不同的实施方式，对与第1实施方式的三维形成装置100相同的构成要素附加相同的附图标记，省略其说明。
如图3的(a)所示，三维形成装置120作为加热单元具备吹热风机构90。吹热风机构90具备压缩机91、气体供给部92、以及管道93。另外，吹热风机构90通过与控制构件60连接的吹热风机构控制器64来控制。
压缩机91具有未图示的将气体压缩到高压的压缩单元，将通过压缩单元而变成高压的气体供给到气体供给部92。作为气体，优选使用能够防止在加热供给材料时发生材料变质的惰性气体。另外，与气体供给部92接近地配置管道93。管道93与压缩机91连接，抽吸通过从气体供给部92吹到供给材料的供给气体G以及在被加热的供给气体G的作用下蒸发的供给材料中包含的溶剂、增稠剂的蒸发气体，借助压缩机91而向外部排出或者送到惰性气体的回收单元(未图示)。
另外，吹热风机构90具备气体供给部92，如果如图3的(a)所示的A部的局部放大图即图3的(b)所示那样，设一边从喷嘴40进行供给材料的供给一边移动的方向为图示箭头的材料供给方向F，则使得从气体供给部92供给的气体G的供给方向相对于材料供给方向F而朝向下游侧进行吹风。由此，能够防止供给材料在预定的被烧结或者熔融的位置以外被加热，避免造型的不适合。
图4的(a)示出气体供给部92的概略剖面图。如图4的(a)所示，气体供给部92至少具备耐热注射器92a、卷芯92b、沿着卷芯92b缠绕的加热器线圈92c、以及温度传感器92d。耐热注射器92a例如使用耐热玻璃或者耐热金属呈圆筒形等筒状形成。然后，从压缩机91将高压气体导入到耐热注射器92a的内部。
沿着耐热注射器92a的中心轴线配设有卷芯92b，在卷芯92b上卷绕有从未图示的外部电源供给电流而发热的加热器线圈92c。通过发热的加热器线圈92c，加热导入到耐热注射器92a的内部的高压气体，作为热风而从在耐热注射器92a的末端形成的排出口92e排出。
被排出的热风通过在卷芯92b的排出口92e侧配置的温度传感器92d来进行温度检测，通过控制在加热器线圈92c中流过的电流的强度，能够生成所期望的温度的热风。优选以使所生成的热风集中并吹到供给材料的方式，设置成如示出排出口92e的图4的(a)所示的B-B′部剖面的图4的(b)或者(c)那样的形状。图4的(b)是能够使热风更集中的圆形开口，图4的(c)是能够将热风吹到宽范围的沟道形状的开口。
(第4实施方式)
作为第4实施方式，说明使用第1实施方式的三维形成装置100来形成三维形状造型物的三维形成方法。图5的(a)是示出第4实施方式的三维形成方法的流程，图5的(b)是图5的(a)所示的单层形成工序(S200)的详细流程图。另外，图6以及图7是说明本实施方式的三维形成方法的局部剖面图。
(三维造型用数据取得工序)
如图5的(a)所示，本实施方式的三维形成方法执行三维造型用数据取得工序(S100)，在该工序中，从未图示的例如个人计算机等取得三维形状造型物200的三维造型用数据，并送到控制构件60(参照图1)。关于在三维造型用数据取得工序(S100)中取得的三维造型用数据，从控制构件60向机器人30、载物台控制器61、材料供给控制器62、激光振荡器63发送控制数据，转移到层叠开始工序。
(层叠开始工序)
在层叠开始工序(S200)中，如示出三维形成方法的图6的(a)所示，使喷嘴40相对于在载物台20载置的试样板21，具有预定的间隔h地移动到成为第1层的部分造型物201(参照图1)的造型开始点P111，其中，该第1层是三维形状造型物的第一单层。此时，激光照射装置50配置在后述的喷嘴40的移动方向之后方位置P121并保持间隔距离D。如果在预定位置配置完喷嘴40以及激光照射装置50，则转移到单层形成工序。
(单层形成工序)
如图5的(b)所示，单层形成工序(S300)包括材料供给工序(S310)、以及烧结工序(S320)。首先，从通过层叠开始工序(S200)而配置在预定位置的喷嘴40，将作为被烧结材料的供给材料80作为挤压部80a而供给到试样板21上，开始材料供给(S311)。作为供给材料80，通过以下方式而得到，即，将成为三维形状造型物200的原料的金属、例如不锈钢、钛合金的单质粉末、或者难以合金化的不锈钢与铜(Cu)、或者不锈钢与钛合金、或者钛合金与钴(Co)、铬(Cr)等的混合粉末，在溶剂、作为粘合剂的增稠剂中混匀，调节成悬浮液状(或者膏状)。
接下来，如图6的(b)所示，为了得到部分造型物201的形成形状，一边将供给材料80供给到试样板21的上表面21a，一边使载置有试样板21的载物台20与喷嘴40沿图示箭头方向F1相对移动，从而配置形成为部分造型物201的烧成前或者熔融前的造型材料80b。此外，配合喷嘴40的箭头方向F1的移动，使激光照射装置50一边维持间隔距离D一边在图示箭头F2方向上移动。
进而，从喷嘴40将供给材料80供给到试样板21的上表面21a，从而按照部分造型物201供给造型材料80b，如图6的(c)所示，当激光照射装置50刚移动到与造型材料80b的供给开始位置P111重合的位置P122时，作为供给能量而开始朝向造型材料80b照射激光L，即激光照射开始(S321)。被照射激光L的区域处的造型材料80b通过激光L的能量(热量)而使溶剂以及增稠剂蒸发，使得金属粉末的粒子彼此结合即所谓的烧结或者熔融结合，从而得到部分造型物201的造型进行区域201a。
进而，如图6的(d)所示，从喷嘴40将供给材料80供给到试样板21的上表面21a，依次形成造型材料80b，激光照射装置50以在维持间隔距离D的情况下追随喷嘴40的方式移动，同时向造型材料80b照射激光L，依次形成造型进行区域201a。然后，喷嘴40到达成为部分造型物201的形状区域结束点的位置P112，停止供给材料80的供给，即材料供给停止(S312)。
在材料供给停止(S312)之后，激光照射装置50也一边照射激光L，一边追随喷嘴40的移动路径，形成造型进行区域201a，如图6的(e)所示，激光照射装置50到达造型材料80b的形成结束的位置P112，在刚好到达位置P123时，激光L的照射被切断，即激光照射停止(S322)。这样，作为第一单层的部分造型物201在试样板21的上表面21a上形成。
如以上所说明的那样，在单层形成工序(S300)之中，进行从材料供给开始(S311)至材料供给停止(S312)的工序即材料供给工序(S310)、以及从激光照射开始(S321)至激光照射停止(S322)的烧结工序(S320)。然后，在烧结工序(S320)中，激光照射开始(S321)设在材料供给开始(S311)之后并且材料供给停止(S312)之前。
如上所述，在使用三维形成装置100的本实施方式的三维形成方法中，使激光照射装置50相对于将供给材料80供给到试样板21的上表面21a的喷嘴40，一边维持预定的间隔距离D，一边追随喷嘴40移动，朝向被供给的造型材料80b照射激光L，依次使造型材料80b烧结或者熔融而形成为部分造型物201。通过这样形成造型物，缩短从造型材料80b的形成至激光L照射的时间经过，能够减少激光L对在激光L的照射区域外形成的造型材料80b的热影响。因此，能够防止在所形成的造型材料80b中包含的增稠剂的粘性降低，抑制在形成之后的造型材料80b的变形。
此外，在上述的单层形成工序(S300)中，使用第1实施方式的三维形成装置100来进行了说明，但在使用第2实施方式的三维形成装置110的情况下，或者在使用第3实施方式的三维形成装置120的情况下也能够应用。
在使用第2实施方式的三维形成装置110的情况下，针对在第1材料供给构件71以及第2材料供给构件72中准备的不同的每个材料，执行从材料供给工序(S310)至烧结工序(S320)的工序，形成复合材料的部分造型物。另外，在使用第3实施方式的三维形成装置120的情况下，在烧结工序(S320)中供给的能量(热量)是从气体供给部92排出的热风，通过该热风对供给材料进行烧结或者熔融，形成部分造型物。
(层叠数比较工序)
如果通过单层形成工序(S300)形成成为第1层的部分造型物201，则转移到与通过三维造型用数据取得工序(S100)而得到的造型数据进行比较的层叠数比较工序(S400)。在层叠数比较工序(S400)中，对构成三维形状造型物200的部分造型物的层叠数N与直到层叠数比较工序(S400)正之前的单层形成工序(S300)为止所层叠的部分造型物的层叠数n进行比较。
在层叠数比较工序(S400)中，在判断为n＝N的情况下，判断为三维形状造型物200的形成完成，结束三维形成。但是，在判断为n<N的情况下，再次从层叠开始工序(S200)起执行。
图7是示出作为第二单层的第2层的部分造型物202的形成方法的局部剖面图。首先，如图7的(a)所示，再次执行层叠开始工序(S200)。此时，以载物台20相对于喷嘴40以及激光照射装置50间隔与第1层的部分造型物201的厚度相当量的方式，驱动载物台20，或者驱动第1臂31以及第2臂32。然后，使部分造型物201与喷嘴40保持着预定的间隔h的情况下移动到将要造型到部分造型物201上的部分造型物202(参照图1)的造型开始点P211。此时，与上述同样地，激光照射装置50配置在喷嘴40的移动箭头方向F1的后方位置P221并保持间隔距离D。如果在预定的位置配置喷嘴40以及激光照射装置50，则执行单层形成工序(S300)。
之后，与示出上述的部分造型物201的形成的图6同样地，执行单层形成工序(S300)。首先，如图7的(a)所示，在部分造型物201之上的成为部分造型物202(参照图1)的起始的位置P211，开始从喷嘴40将供给材料80作为挤压部80a而供给到部分造型物201上，即材料供给开始(S311)。然后，为了得到部分造型物202的形成形状，一边将供给材料80供给到部分造型物201上，一边使载置有试样板21的载物台20与喷嘴40沿图示箭头方向F1相对移动，从而配置形成为部分造型物202的烧成前或者熔融前的造型材料80b。此外，使激光照射装置50配合喷嘴40的箭头方向F1的移动，一边维持间隔距离D一边在图示箭头方向F2上移动。
从喷嘴40将供给材料80供给到部分造型物201上，并按照部分造型物202而供给造型材料80b，如图7的(b)所示，在激光照射装置50刚好移动到与造型材料80b的供给开始位置P211重合的P222时，作为供给能量而开始朝向造型材料80b照射激光L，即激光照射开始(S321)。被照射激光L的区域的造型材料80b通过激光L的能量(热量)而溶剂以及增稠剂蒸发，金属粉末的粒子彼此相结合、即所谓的烧结或者熔融，从而得到部分造型物202的造型进行区域202a。此时，造型进行区域202a通过烧结或者熔融而与下层的部分造型物201结合。
进而，如图7的(c)所示，从喷嘴40将供给材料80供给到部分造型物201上，依次形成造型材料80b，激光照射装置50一边以在维持间隔距离D的情况下追随喷嘴40的方式移动，一边向造型材料80b照射激光L，依次形成造型进行区域202a。然后，在部分造型物202的形状区域，喷嘴40到达造型材料80b的形成结束的位置P212，停止供给材料80的供给，即材料供给停止(S312)。
然后，如图7的(d)所示，当激光照射装置50刚好到达造型材料80b的形成结束的位置P212而成为位置P223时，切断激光L的照射，即激光照射停止(S322)。这样，部分造型物202在部分造型物201上形成，形成三维形状造型物的一部分。然后，再次转移到层叠数比较工序(S400)，重复进行层叠开始工序(200)、单层形成工序(S300)，直到n＝N为止，从而能够使用第1实施方式的三维形成装置100来形成三维形状造型物。
此外，在上述的应用例中的层叠工序以及层叠数比较工序(S400)中，重复执行在作为第一单层的第一层的部分造型物201上形成作为第二单层的第2层的部分造型物202的层叠开始工序(S200)以及单层形成工序(S300)，直到判断为n＝N为止。
(第5实施方式)
说明第5实施方式的三维形成方法。在上述的第4实施方式的三维形成方法中，在三维形状造型物具有悬垂部的情况下，对于悬垂部来说，在上述的单层形成工序(S300)中，当烧结前的造型材料80b偏离下层的部分造型物的形成区域时，有可能由于重力而在重力方向上变形。即，在烧结前，造型材料80b是将成为原料的金属、例如不锈钢、钛合金的单质粉末、或者难以合金化的不锈钢与铜(Cu)、或者不锈钢与钛合金、或者钛合金与钴(Co)、铬(Cr)等的混合粉末，在溶剂、增稠剂中混匀而得到的悬浮液状(或者膏状)的柔软的状态的材料。而且，从在喷嘴40的附近配置的激光照射装置50被照射作为发热体的激光L，即使是微小但也对造型材料80b产生热量影响，促使重力方向的变形。
因此，说明通过第5实施方式的三维形成方法来不使悬垂部变形地形成三维形状造型物的方法。此外，对与第4实施方式的三维形成方法相同的工序附加相同的附图标记，省略其说明。另外，为了使说明简略，例示具有图8的(a)的俯视外观图以及图8的(b)的侧面外观图所示那样的简单形状的三维形状造型物300，说明第5实施方式的三维形成方法，但不限定于该形状，只要是具备所谓的悬垂部的造型物，则能够应用。
如图8所示，三维形状造型物300在具有凹部300a的圆柱形的基部300b的凹部开口侧端部具备凸缘部300c，该凸缘部300c是向基部300b的外侧延伸的悬垂部。为了根据第4实施方式的三维形成方法来形成该三维形状造型物300，将在形成过程中被去除的支承部310以圆柱形状设于4个部位的数据加到制作三维形状造型物300的三维造型用数据中来生成制作造型用数据。
图9是示出图8所示的三维形状造型物300的形成方法的流程图。另外，图10示出基于图9所示的流程图的三维形状造型物300的形成方法，在图示左侧示出局部剖面图，在右侧示出俯视外观图。另外，在本实施方式的三维形状造型物300中，使用层叠形成4层的例子来说明，但不限定于此。
首先，如图10的(a)所示，通过第4实施方式的三维形成方法，在未图示的试样板21上形成成为第1层的部分造型物301。在形成部分造型物301的工序中，还形成第1层的部分支承部311。关于局部支承部311，不执行通过图5所说明的单层形成工序(S300)中的烧结工序(S320)，以保持造型材料80b的状态、即保持未烧结部或者未熔融部的状态，执行单层形成工序(S300)。
接着，重复进行单层形成工序(S300)，如图10的(b)所示，形成成为第2层以及第3层的部分造型物302、303。然后，在形成部分造型物302、303的工序中，还形成第2层以及第3层的局部支承部312、313。与局部支承部311同样，关于局部支承部312、313，不执行单层形成工序(S300)中的烧结工序(S320)，以保持造型材料80b的状态、即保持未烧结部或者未熔融部的状态，执行单层形成工序(S300)，通过局部支承部311、312、313来形成支承部310。
接下来，如图10的(c)所示，形成在凸缘部300c处形成的第4层的部分造型物304。部分造型物304以被通过局部支承部311、312、313而形成的支承部310的端部310a支持的方式形成。通过这样形成部分造型物304，在从形成部分造型物304的单层形成工序(S300)中的材料供给开始(S311)至激光照射开始(S321)的期间，以抑制在凸缘部300c处形成的膏状的造型材料80b(参照图7)向重力方向的变形的方式进行支承。
然后，如图10的(d)所示，在造型成三维形状造型物300时，通过支承部去除工序(S500)，将支承部310从三维形状造型物300去除。支承部310通过未被烧成的材料来形成，所以作为支承部去除工序(S500)中的支承部310的去除单元，例如图10的(d)所示，能够进行利用锋利的刀具Kn的物理性的切除。或者，也可以浸渍到溶剂中，溶解材料中包含的增稠剂而从三维形状造型物300去除。
如上所述，在形成具有作为悬垂部的凸缘部300c的三维形状造型物300的情况下，能够防止由于按照三维形状造型物300的形成而形成支持凸缘部300c的支承部310所导致的凸缘部300c向重力方向的变形。此外，图8所示的支承部310不限定于图示那样的多个圆柱状的方式，可根据造型物的形状、材料组成等来适当设定形状、大小等。图11示出支承部的其他方式的一个例子。
关于图的11(a)的俯视外观图所示的支承部320，呈放射状配置有角柱状的支承部320。关于图11的(b)的俯视外观图所示的支承部330，呈同心状配置有圆筒状的支承部330。或者，如图11的(c)的剖面图所示，也可以是支持凸缘部300c的所有部分的支承部340。
此外，在实施本发明时的具体构成在能够达到本发明的目的的范围内，能够适当变更成其他装置或者方法。

Claims (11)

1.一种三维形成装置，其特征在于，包括：
材料供给单元，将混匀了金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给到载物台；以及
加热单元，向从所述材料供给单元所供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量；
所述三维形成装置还具备驱动单元，该驱动单元使所述材料供给单元和所述加热单元相对于所述载物台能够相对地三维移动，
所述材料供给单元向所述载物台上的期望位置供给预定量的所述被烧结材料，从所述加热单元向所供给的所述被烧结材料供给所述能量。
2.根据权利要求1所述的三维形成装置，其特征在于，
所述驱动单元具备控制单元，该控制单元以使所述加热单元追随所述材料供给单元的移动路径的方式控制所述加热单元的移动路径。
3.根据权利要求1或2所述的三维形成装置，其特征在于，
所述三维形成装置具备多个所述材料供给单元，
供给至少2种具有不同组成的所述被烧结材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维形成装置，其特征在于，
所述加热单元是激光照射单元。
5.一种三维形成方法，包括：
材料供给工序，将混匀了金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给成期望形状；
单层形成工序，通过烧结工序来形成单层，该烧结工序朝向通过所述材料供给工序而供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量而使所述被烧结材料烧结；以及
层叠工序，层叠于通过所述单层形成工序而形成的第一单层，并通过所述单层形成工序来形成第二单层，
通过重复预定次数的所述层叠工序来形成三维形状造型物，其特征在于，
在所述单层形成工序中，在结束所述材料供给工序之前开始所述烧结工序，并追随所述被烧结材料的供给而进行所述能量的供给，从而烧结所述被烧结材料。
6.根据权利要求5所述的三维形成方法，其特征在于，
在所述层叠工序中，形成在重力方向上支承所述单层的支承部，
所述支承部是在所述烧结工序中不被照射所述能量的未烧结部。
7.根据权利要求6所述的三维形成方法，其特征在于，
所述三维形成方法具备支承部去除工序，该支承部去除工序去除所述支承部。
8.一种三维形成装置，其特征在于，
第1臂具备材料供给喷嘴，该材料供给喷嘴用作将混匀了金属粉末和粘合剂的被烧结材料供给到载物台的材料供给单元，
第2臂具备加热装置，该加热装置用作向从所述材料供给单元所供给的所述被烧结材料供给能够烧结所述被烧结材料的能量的加热单元，
所述三维形成装置具备驱动单元，该驱动单元使所述第1臂和所述第2臂相对于所述载物台能够相对地三维移动，
所述材料供给单元向所述载物台上的期望位置供给预定量的所述被烧结材料，从所述加热单元向所供给的所述被烧结材料供给所述能量。
9.根据权利要求8所述的三维形成装置，其特征在于，
所述第1臂以及所述第2臂具备多个关节。
10.一种三维形成装置，其特征在于，
所述三维形成装置具有控制构件，该控制构件包括：对具有材料供给喷嘴的第1臂和具有加热装置的第2臂进行驱动控制的驱动控制部；对被供给被烧结材料的载物台进行驱动控制的驱动控制部；对第1臂所具有的材料供给喷嘴进行动作控制的动作控制部；以及对第2臂所具有的加热装置进行动作控制的动作控制部。
11.根据权利要求10所述的三维形成装置，其特征在于，
所述控制构件具备使第1臂、第2臂、载物台、材料供给喷嘴和加热装置协同动作的控制部。
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