CN106808689A - 三维造型物的制造方法及三维造型物的制造装置 - Google Patents

三维造型物的制造方法及三维造型物的制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供减少形成三维造型物之后的后处理工序的三维造型物的制造方法及三维造型物的制造装置。三维造型物的制造方法，其特征在于，具有：层形成工序，使用包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物和包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成层，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在所述三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部；以及能量赋予工序，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予能量，在所述能量赋予工序中，以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述构成材料粒子的熔点以上、且不足所述支撑部形成粒子的熔点的温度的方式赋予能量。

Description

三维造型物的制造方法及三维造型物的制造装置
技术领域
本发明涉及三维造型物的制造方法以及三维造型物的制造装置。
背景技术
一直以来，已经实施了制造三维造型物的各种各样的方法。其中，已披露了一种使用流动性组合物来形成三维造型物的方法。
例如，在专利文献1中公开了一种下述的制造方法：其使用作为流动性组合物的金属浆料形成层，边向三维造型物的对应区域照射激光而使其烧结或熔融的同时，边制造三维造型物。
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
然而，在边烧结或熔融三维造型物的对应区域、边制造三维造型物的情况下，由于烧结或熔融时的热，导致该三维造型物的对应区域以外的部分也被烧结或熔融，存在卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷大的情况。即，在制造三维造型物的现有的制造方法中，未能充分地做到减少被制造的三维造型物的后处理工序。
因此，本发明的目的是减少形成了三维造型物后的后处理工序。
用于解决技术问题的方案
用于解决上述技术问题的本发明的第一方面的三维造型物的制造方法的特征在于，具有：层形成工序，使用包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物和包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成层，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在所述三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部；以及能量赋予工序，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予能量，在所述能量赋予工序中，以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述构成材料粒子的熔点以上、且不足所述支撑部形成粒子的熔点的温度的方式来赋予能量。
根据本方面，赋予能量，以使构成材料粒子及支撑部形成粒子的温度为构成材料粒子的熔点以上、且不足支撑部形成粒子的熔点的温度。为此，既能使三维造型物的构成材料熔融，又能抑制支撑部的熔融。为此，能够抑制由于也使三维造型物的对应区域以外的部分熔融而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。因此，能够减少形成了三维造型物之后的后处理工序。
本发明的第二方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一方面中，在所述层形成工序中，使所述包含构成材料粒子的流动性组合物及所述包含支撑部形成粒子的流动性组合物在液滴的状态下喷吐而形成所述层。
根据本方面，使包含构成材料粒子的流动性组合物及包含支撑部形成粒子的流动性组合物在液滴的状态下喷吐来形成层。为此，通过形成层即可简单地形成三维造型物。
本发明的第三方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一或第二方面中，还具有重复所述层形成工序的层叠工序。
根据本方面，具有重复层形成工序的层叠工序。为此，通过重复层形成工序即可简单地形成三维造型物。
本发明的第四方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第三任一方面中，在所述能量赋予工序中，以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述支撑部形成粒子的烧结温度以上的温度的方式来赋予能量。
根据本方面，赋予能量，以使构成材料粒子及支撑部形成粒子的温度为支撑部形成粒子的烧结温度以上的温度。即，使构成材料粒子熔融，而使支撑部形成粒子烧结。烧结部分相对于熔融部分而言能够简单地分离，因此，能够减少形成了三维造型物之后的后处理工序。
本发明的第五方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第四任一方面中，所述层形成工序被调整为使得在所述能量赋予工序之后包含所述构成材料粒子的层的厚度与对应该层的、包含所述支撑部形成粒子的层的厚度一致。
根据本方面，被调整为在能量赋予工序后，包含构成材料粒子的层的厚度与对应该层的、包含支撑部形成粒子的层的厚度一致。为此，不需要进行伴随支撑层与构成层的层厚不同的层厚调整等，能够简单地制造高精度的三维造型物。
本发明的第六方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第五任一方面中，在执行了一层或多层的所述层形成工序之后执行所述能量赋予工序。
根据本方面，能量赋予工序是在执行了一层或多层的层形成工序之后执行的。例如，通过在执行了多层的层形成工序之后执行能量赋予工序，从而能够减少构成层形成工序的次数，能够快速地制造三维造型物。另外，通过按每一层地执行能量赋予工序，从而即使是在斜面部等上用一方的材料覆盖另一方的材料的配置的情况下，由于各层中两材料在同一面上露出，因此，也能对各材料恰当地赋予能量。
本发明的第七方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第六任一方面中，在所述能量赋予工序中，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予同一能量。
根据本方面，向构成材料粒子及支撑部形成粒子赋予相同的能量。为此，能够简单地执行能量赋予工序。
本发明的第八方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第六任一方面中，在所述能量赋予工序中，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予不同的能量。
根据本方面，向构成材料粒子及支撑部形成粒子赋予不同的能量。为此，能够有效地抑制由于也使三维造型物的对应区域以外的部分熔融或过度烧结而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。
本发明的第九方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第八任一方面中，在所述能量赋予工序后，包含所述构成材料粒子的层的孔隙率(空隙率)被调整为比对应该层的、包含所述支撑部形成粒子的层的孔隙率更小。
根据本方面，在能量赋予工序后，包含构成材料粒子的层的孔隙率被调整为比对应该层的、包含支撑部形成粒子的层的孔隙率更小。为此，能够抑制包含支撑部形成粒子的层的孔隙率过于变小而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。
本发明的第十方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第九任一方面中，包含所述支撑部形成粒子的层的孔隙率(空隙率)被调整为在所述能量赋予工序之后比在所述能量赋予工序之前更小。
根据本方面，包含支撑部形成粒子的层的孔隙率被调整为在能量赋予工序之后比在能量赋予工序之前更小。为此，支撑部的强度提高，具有能在直至进行卸下三维造型物时的分离作业为止的工序中可靠地进行结构体的保持的优点。
本发明的第十一方面的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述第一至第十任一方面中，所述构成材料粒子为包括铝、钛、铁、铜、镁、不锈钢、马氏体时效钢中至少任一成分的粒子；所述支撑部形成粒子为包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锆中至少任一成分的粒子。
根据本方面，通过能量赋予工序，能够容易地控制为将构成材料粒子熔融，而使支撑部形成粒子为低烧结密度，能够在确保三维造型物的强度的同时，抑制卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。
本发明的第十二方面的三维造型物的制造装置，其特征在于，具有：喷吐包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物的喷吐部；喷吐包含支撑部形成粒子的流动性组合物的喷吐部，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在所述三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部；控制部，控制使用所述包含构成材料粒子的流动性组合物和所述包含支撑部形成粒子的流动性组合物来形成层；以及能量赋予部，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予能量，能量赋予部被调整为以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述构成材料粒子的熔点以上、且不足所述支撑部形成粒子的熔点的温度的方式来赋予能量。
根据本方面，赋予能量，以使构成材料粒子及支撑部形成粒子的温度为构成材料粒子的熔点以上、且不足支撑部形成粒子的熔点的温度。为此，既能使三维造型物的构成材料熔融，又能抑制支撑部的熔融。为此，能够抑制由于也使三维造型物的对应区域以外的部分熔融而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。因此，能够减少形成了三维造型物之后的后处理工序。
附图说明
图1的(a)是示出本发明一实施方式所涉及的三维造型物的制造装置的构成的简要构成图，图1的(b)是图1的(a)所示的C部的放大图。
图2的(a)是示出本发明一实施方式所涉及的三维造型物的制造装置的构成的简要构成图，图2的(b)是图2的(a)所示的C’部的放大图。
图3是本发明一实施方式所涉及的头座从图1的(b)所示的D方向观察的外观图。
图4是图3所示的E-E’部的截面图。
图5的(a)～(c)是概念性说明本发明一实施方式所涉及的头部单元的配置与着落部的形成方式的关系的俯视图。
图6的(d)和(e)是概念性说明本发明一实施方式所涉及的头部单元的配置与着落部的形成方式的关系的俯视图。
图7是概念性说明本发明一实施方式所涉及的头部单元的配置与着落部的形成方式的关系的俯视图。
图8的(a)和(b)是示出配置于头座的头部单元的其它配置例的示意图。
图9的(a)～(h)是表示本发明一实施例所涉及的三维造型物的制造过程的概略图。
图10是本发明一实施例所涉及的三维造型物的制造方法的流程图。
图11的(a)～(e)是表示本发明一实施例所涉及的三维造型物的制造过程的概略图。
图12是本发明一实施例所涉及的三维造型物的制造方法的流程图。
附图标记说明
50、50a、50b、50c、50d、50e、50f、50g以及50h着落部、110基座、111驱动装置、120工作台(支撑体)、121样品板、130、130’头座支撑部、300支撑层(支撑部)、310构成层、400控制单元(控制部)、410工作台控制器、430激光控制器、500三维造型物、501、502及503层、1100、1100’头座、1200构成材料供给装置、1200’支撑部形成用材料供给装置、1210构成材料供给单元、1210’支撑部形成用材料供给单元、1210a构成材料容纳部、1210a’支撑部形成用材料容纳部、1220、1220’供给管、1230构成材料喷吐部、1230’支撑部形成用材料喷吐部、1230a、1230a’喷吐喷嘴、1230b、1230b’喷吐驱动部、1400、1400’头部单元、1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407及1408头部单元、1400a、1400a’保持夹具、1500材料供给控制器、1600、1600’头座、1700加热部(能量赋予部)、1710加热部控制器、2000形成装置(三维造型物的制造装置)、L激光、M材料(构成材料)
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明所涉及的实施方式。
图1及图2是示出本发明一实施方式所涉及的三维造型物的制造装置的构成的简要构成图。
在此，本实施方式的三维造型物的制造装置具备两种材料供给部(头座)，但图1和图2分别是只示出一方的材料供给部的图，另一方的材料供给部则省略了图示。另外，图1的材料供给部是供给包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物(构成材料)的材料供给部。而图2的材料供给部是供给包含支撑部形成粒子的流动性组合物(支撑部形成用材料)的材料供给部，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部。需要注意的是，本实施例的包含构成材料粒子的流动性组合物以及包含支撑部形成粒子的流动性组合物均为含有溶剂和粘合剂的组合物，但也可以使用不含有它们的组合物。
需要说明的是，本说明书中的“三维造型”表示的是形成所谓的立体造型物，例如形成平板状、即使为所谓的二维形状的形状但具有厚度的形状也包括在内。另外，“支撑”除了是指从下侧支撑的情况以外，还包括从侧面支撑的情况、根据情况而从上侧支撑的情况。
图1及图2所示的三维造型物的制造装置2000(以下称为形成装置2000)具备基座110和工作台120，工作台120通过基座110所具备的作为驱动单元的驱动装置111而能在图示的X、Y、Z方向上移动、或者能够在以Z轴为中心的旋转方向上驱动。
而且，如在图1中所表示的，具备头座支撑部130，其一端部固定于基座110，而在另一端部上保持固定有头座1100，头座1100保持多个具备喷吐构成材料的构成材料喷吐部的头部单元1400。
另外，如在图2中所表示的，具备头座支撑部130’，其一端部固定于基座110，而在另一端部保持固定有头座1100’，头座1100’保持多个具备喷吐支撑部形成用材料的支撑部形成用材料喷吐部的头部单元1400’。
在此，头座1100及头座1100’在XY平面上并列设置。
需要注意的是，构成材料喷吐部1230及支撑部形成用材料喷吐部1230’除喷吐的材料(构成材料及支撑部形成用材料)不同以外，其余都是同样的构成。不过，不限定于这样的构成。
在工作台120上形成在三维造型物500的形成过程中的层501、502以及503。另外，在与工作台120相对的区域上设有加热部1700，其被与后述的控制单元400连接的加热部控制器1710控制热能照射的接通/断开，能加热工作台120的整个区域。
在三维造型物500的形成中，由于用加热部1700进行热能的照射(能量赋予)，因此，为了保护工作台120免受热的影响，也可以使用具有耐热性的样品板121而将三维造型物500形成于样品板121上。作为样品板121，通过使用例如陶瓷板而能获得高耐热性，进而与被熔融的三维造型物的构成材料的反应性也低，能够防止三维造型物500变质。需要注意的是，在图1的(a)及图2的(a)中，为了便于说明，例示了层501、502以及503三层，但一直层叠至所希望的三维造型物500的形状(直至图1的(a)以及图2的(a)中的层50n为止)。
在此，层501、502、503、······50n各自包括支撑层300和构成层310(对应于三维造型物500的构成区域的层)，其中，该支撑层300由从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐的支撑部形成用材料形成，该构成层310由从构成材料喷吐部1230中喷吐的构成材料形成。另外，在由从构成材料喷吐部1230中喷吐出的构成材料和从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐出的支撑部形成用材料形成了一层的层之后，可从加热部1700对整个该层照射热能而每一层地使其熔融。进而，还可以通过形成多层构成层310和支撑层300而完成三维造型物的形状，并在与形成装置2000分体设置的恒温槽(加热部)中使其熔融。
另外，图1的(b)是示出图1的(a)所示的头座1100的C部放大概念图。如图1的(b)所示，头座1100保持有多个头部单元1400。详情在后面说明，一个头部单元1400通过将构成材料供给装置1200所具备的构成材料喷吐部1230保持于保持夹具1400a而构成。构成材料喷吐部1230具备：喷吐喷嘴1230a、以及通过材料供给控制器1500而使构成材料从喷吐喷嘴1230a中喷吐的喷吐驱动部1230b。
另外，图2的(b)是示出图2的(a)所示的头座1100’的C’部放大概念图。如图2的(b)所示，头座1100’保持有多个头部单元1400’。头部单元1400’通过将支撑部形成用材料供给装置1200’所具备的支撑部形成用材料喷吐部1230’保持于保持夹具1400a’而构成。支撑部形成用材料喷吐部1230’具备：喷吐喷嘴1230a’、以及通过材料供给控制器1500而使支撑部形成用材料从喷吐喷嘴1230a’中喷吐的喷吐驱动部1230b’。
加热部1700在本实施方式中以照射电磁波作为热能的能量照射部来进行说明。通过将电磁波用作被照射的热能，从而能够对作为目标的供给材料高效地照射能量，能够形成品质高的三维造型物。并且，能够容易地按照例如被喷吐的材料的种类控制照射能量的量(功率、扫描速度)，能够获得所期望的品质的三维造型物。不过，不限于这样的构成，也可以是采用其它方法进行加热的构成。另外，并非局限于通过电磁波来熔融，这一点自不必说。
如在图1中所表示的，构成材料喷吐部1230通过供给管1220而与容纳构成材料的构成材料供给单元1210连接，构成材料供给单元1210与保持于头座1100的头部单元1400各自对应。于是，规定的构成材料从构成材料供给单元1210供给至构成材料喷吐部1230。在构成材料供给单元1210中，包含由本实施方式涉及的形成装置2000造型的三维造型物500的原料的材料(包含金属粒子(构成材料粒子)的糊状的构成材料)作为供给材料而容纳于构成材料容纳部1210a中，各个构成材料容纳部1210a通过供给管1220而连接于各个构成材料喷吐部1230。通过像这样地具备各个构成材料容纳部1210a，从而能够从头座1100供给多个不同种类的材料。
如在图2中所表示的，支撑部形成用材料喷吐部1230’通过供给管1220’而与容纳支撑部形成用材料的支撑部形成用材料供给单元1210’连接，支撑部形成用材料供给单元1210’与保持于头座1100’的头部单元1400’各自对应。于是，规定的支撑部形成用材料从支撑部形成用材料供给单元1210’供给至支撑部形成用材料喷吐部1230’。支撑部形成用材料供给单元1210’将构成对三维造型物500造型时的支撑部的支撑部形成用材料(包含陶瓷粒子(支撑部形成粒子)的糊状的支撑部形成用材料)作为供给材料容纳于支撑部形成用材料容纳部1210a’中，各个支撑部形成用材料容纳部1210a’通过供给管1220’而连接于各个支撑部形成用材料喷吐部1230’。通过像这样地具备各个支撑部形成用材料容纳部1210a’，从而能够从头座1100’供给多个不同种类的支撑部形成用材料。
作为构成材料，例如可使镁(Mg)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、镍(Ni)的单体粉末或者包含一种以上的这些金属的合金(马氏体时效钢、不锈钢、钴铬钼、钛合金、镍合金、铝合金、钴合金、钴铬合金)等的混合粉末形成为包括溶剂和粘合剂的浆状(或糊状)的混合材料等来使用。
并且，可使用聚酰胺、聚缩醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等通用工程塑料。此外，还可以使用聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚芳酯、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮等工程塑料。
这样，构成材料并没有特别限制，也能使用上述金属以外的金属、陶瓷、树脂等。
作为溶剂，例如，可列举出：水；乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、丙二醇单甲醚、丙二醇单乙醚等(聚)烷撑二醇单烷基醚类；乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯等乙酸乙酯类；苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃类；甲基乙基酮、丙酮、甲基异丁基酮、乙基正丁基甲酮、二异丙基甲酮、乙酰丙酮等酮类；乙醇、丙醇、丁醇等醇类；四烷基乙酸铵类；二甲基亚砜、二乙基亚砜等亚砜类溶剂；吡啶、γ－甲基吡啶、2，6-二甲基吡啶等吡啶类溶剂；四烷基乙酸铵(例如四丁基乙酸铵)等的离子液体等，可将选自这些中的一种或两种以上组合来使用。
作为粘合剂，例如为丙烯酸树脂、环氧树脂、硅酮树脂、纤维素类树脂或其它合成树脂、或者PLA(聚乳酸)、PA(聚酰胺)、PPS(聚苯硫醚)或其它热可塑性树脂。
在本实施方式中，支撑部形成用材料含有陶瓷。作为该支撑部形成用材料，例如可作为包括金属氧化物、金属醇盐、金属等的混合粉末；溶剂；以及粘合剂的浆状(或糊状)的混合材料来使用。
不过，支撑部形成用材料并没有特别限制，也可以使用如上述构成材料的例子那样的、陶瓷以外的金属、树脂等。
形成装置2000中具备作为控制单元的控制单元400，其根据从未图示的、例如个人计算机等数据输出装置中输出的三维造型物的造型用数据而控制上述的工作台120、构成材料供给装置1200所具备的构成材料喷吐部1230、加热部1700、以及支撑部形成用材料供给装置1200’所具备的支撑部形成用材料喷吐部1230’。而且，虽未图示，但控制单元400中具备控制工作台120和构成材料喷吐部1230、以及工作台120和支撑部形成用材料供给装置1200’协作地驱动及动作的控制部。
关于以能移动的方式配备于基座110的工作台120，根据来自控制单元400的控制信号，在工作台控制器410中生成控制工作台120的移动开始与停止、移动方向、移动量、移动速度等的信号，并输送至基座110所具备的驱动装置111，从而工作台120在图示的X、Y、Z方向上移动。关于头部单元1400所具备的构成材料喷吐部1230，根据来自控制单元400的控制信号，在材料供给控制器1500中生成控制通过构成材料喷吐部1230所具备的喷吐驱动部1230b而从喷吐喷嘴1230a喷吐的材料喷吐量等的信号，并根据所生成的信号，从喷吐喷嘴1230a中喷吐规定量的构成材料。
同样地，关于头部单元1400’所具备的支撑部形成用材料喷吐部1230’，根据来自控制单元400的控制信号，在材料供给控制器1500中生成控制通过支撑部形成用材料喷吐部1230’所具备的喷吐驱动部1230b’而从喷吐喷嘴1230a’喷吐的材料喷吐量等的信号，并根据所生成的信号，从喷吐喷嘴1230a’中喷吐规定量的支撑部形成用材料。
另外，对于加热部1700，控制信号从控制单元400输送至加热部控制器1710，从加热部控制器1710中送出使加热部1700照射电磁波的输出信号。
接着，对头部单元1400进一步详细地说明。需要注意的是，头部单元1400’是与头部单元1400同样的构成，代替构成材料喷吐部1230，支撑部形成用材料喷吐部1230’以同样的配置而构成。为此，省略关于头部单元1400’的详细构成的说明。
图3及图4示出被头座1100保持的多个头部单元1400以及被头部单元1400保持的构成材料喷吐部1230的保持形态的一个例子，图3是从图1的(b)所示的箭头D方向观察的头座1100的外观图，图4是图3所示的E-E’部的概略截面图。
如图3所示，多个头部单元1400通过未图示的固定单元而被保持于头座1100。在本实施方式所涉及的形成装置2000的头座1100中，从图下方起具备第一列的头部单元1401及1402、第二列的头部单元1403及1404、第三列的头部单元1405及1406、以及第四列的头部单元1407及1408共八个单元的头部单元1400。而且，虽未图示，但各个头部单元1401～1408所具备的构成材料喷吐部1230采用经由喷吐驱动部1230b并通过供给管1220而与构成材料供给单元1210连接的、被保持夹具1400a保持的构成。
如图4所示，构成材料喷吐部1230从喷吐喷嘴1230a朝着放置于工作台120上的样品板121上喷吐作为三维造型物的构成材料的材料M。关于头部单元1401，例示了材料M以液滴状喷吐的喷吐形式，关于头部单元1402，例示了材料M以连续体状供给的喷吐形式。本实施方式的形成装置2000中的材料M的喷吐形式为液滴状。然而，也可以使用喷吐喷嘴1230a能以连续体状供给构成材料的头部单元。
从喷吐喷嘴1230a中以液滴状喷吐的材料M大致在重力方向上飞行，并着落于样品板121上。然后，着落的材料M形成着落部50。该着落部50的集合体作为形成于样品板121上的三维造型物500的构成层310(参照图1)而形成。
图5、图6以及图7是概念性地说明头部单元1400的配置与着落部50的形成方式的关系的俯视图(图1所示的D方向箭头图)。首先，如图5的(a)所示，在样品板121上的造型起点q1处，从头部单元1401及1402的喷吐喷嘴1230a中喷吐材料M，通过着落于样品板121的材料M形成着落部50a及50b。需要注意的是，为便于说明，虽然为俯视图，但在着落部50上加有影线，例示形成于样品板121的上表面的第一层的层501的构成层310来进行说明。
首先，如图5的(a)所示，在样品板121上的层501的构成层310的造型起点q1处，从图示下方的第一列的头部单元1401及1402所具备的构成材料喷吐部1230中喷吐材料M。由喷吐的材料M形成着落部50a及50b。
边继续从头部单元1401及1402的构成材料喷吐部1230中喷吐材料M，边使样品板121相对于头座1100相对地移动至Y(+)方向的、图5的(b)所示的造型起点q1对应于第二列的头部单元1403及1404的位置。由此，着落部50a及50b从造型起点q1开始保持宽度t地延伸至样品板121的相对移动后的位置q2。进而，从对应于造型起点q1的第二列的头部单元1403及1404中喷吐材料M，开始形成着落部50c及50d。
如图5的(b)所示开始形成着落部50c及50d，边继续从头部单元1403及1404的构成材料喷吐部1230中喷吐材料M，边使样品板121相对于头座1100相对地移动至Y(+)方向的、图5的(c)所示的造型起点q1对应于第三列的头部单元1405及1406的位置。由此，着落部50c及50d从造型起点q1开始保持宽度t地延伸至样品板121的移动后的位置q2。同时，着落部50a及50b从造型起点q1开始保持宽度t地延伸至样品板121的相对移动后的位置q3。从对应于造型起点q1的第三列的头部单元1405及1406中喷吐材料M，开始形成着落部50e及50f。
如图5的(c)所示开始形成着落部50e及50f，边继续从头部单元1405及1406的构成材料喷吐部1230中喷吐材料M，边使样品板121相对于头座1100相对地移动至Y(+)方向的、图6的(d)所示的造型起点q1对应于第四列的头部单元1407及1408的位置。由此，着落部50e及50f从造型起点q1开始保持宽度t地延伸至样品板121的移动后的位置q2。同时，着落部50a及50b从造型起点q1开始保持宽度t地延伸至样品板121的相对移动后的位置q4、着落部50c及50d从造型起点q1开始保持宽度t地延伸至样品板121的相对移动后的位置q3。从对应于造型起点q1的第四列的头部单元1407及1408中喷吐材料M，开始形成着落部50g及50h。
在将位置q5作为造型结束位置的情况(以下，将位置q5称为造型终点q5)下，如图6的(e)所示，通过使样品板121相对地移动至头部单元1401及1402到达造型终点q5为止，从而使着落部50g及50h延伸。然后，在已到达造型终点q5的头部单元1401及1402中，停止从头部单元1401及1402的构成材料喷吐部1230喷吐材料M。进而，边使样品板121在Y(+)方向上相对地移动，边从构成材料喷吐部1230中喷吐材料M，直至头部单元1403、1404、1405、1406、1407以及1408到达造型终点q5为止。于是，如图7所示，着落部50a、50b、50c、50d、50e、50f、50g以及50h保持宽度t地从造型起点q1形成至造型终点q5。按这种方式，通过边使样品板121从造型起点q1移动至造型终点q5，边从头部单元1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407以及1408依次进行材料M的喷吐供给，从而能够形成宽度T、长度J的、在本实施方式的例示中大致为矩形的着落部50。而且，能够成形、构成第一层的层501的构成层310作为着落部50的集合体。
如上所述，本实施方式所涉及的形成装置2000通过与具备样品板121的工作台120的移动同步地选择性地进行来自头部单元1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407以及1408所具备的构成材料喷吐部1230的材料M的喷吐供给，从而能够将希望形状的构成层310形成于样品板121上。并且，如上所述，工作台120的移动在本例中只需使其向沿着Y轴方向的一个方向移动即可在图7所示的宽度T×长度J的区域内获得希望形状的着落部50、进而获得作为着落部50的集合体的构成层310。
另外，对于从构成材料喷吐部1230喷吐的材料M，也可以从头部单元1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407以及1408中的任一个单元或者两个以上的单元喷吐供给与其它头部单元不同的构成材料。因此，通过使用本实施方式涉及的形成装置2000，能够获得由不同种类的材料形成的三维造型物。
需要注意的是，在第一层的层501中，在如上所述地形成构成层310之前或之后，可以从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐支撑部形成用材料，并采用与上述同样的方法形成支撑层300。而且，当层叠于层501而形成层502、503、······50n时，也能够同样地形成构成层310及支撑层300。
上述的本实施方式涉及的形成装置2000所具备的头部单元1400及1400’的数量及排列不限于上述的数量及排列。在图8中，作为其示例示意性示出了配置于头座1100的头部单元1400的其它配置例。
图8的(a)示出在头座1100上使多个头部单元1400在X轴方向上并列的形态。图8的(b)示出在头座1100上使头部单元1400呈格子状排列的形态。需要注意的是，所排列的头部单元的数量均不限定于图示的例子。
接着，对使用上述的本实施方式涉及的形成装置2000进行的三维造型物的制造方法的一实施例进行说明。
图9是表示使用形成装置2000进行的三维造型物的制造过程的一个例子的概略图。需要说明的是，本例是每当从构成材料喷吐部1230及支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐出构成材料及支撑部形成用材料而形成一层的层时便使用形成装置2000所具备的加热部1700加热该层来制造三维造型物的三维造型物制造方法的例子。另外，在本实施例的三维造型物的制造方法中，制造熔融状态的三维造型物。
此外，图9中，在Z方向上画有多条辅助线，以便易于理解支撑层300及构成层310的厚度。
首先，如在图9的(a)中所表示的，从构成材料喷吐部1230中喷吐构成材料，从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐支撑部形成用材料，从而在第一层的层501中形成构成层310及支撑层300。在此，支撑层300形成于该层中的三维造型物的形成区域(对应于构成层310的区域)以外的区域。
接着，如在图9的(b)中所表示的，通过加热部1700加热第一层的层501，使该层的构成层310熔融，并烧结支撑层300。需要注意的是，本实施例中的加热部1700的加热温度设定为构成材料中含有的金属粒子(构成材料粒子)熔融的温度(熔点以上)、且支撑部形成用材料中含有的陶瓷粒子(支撑部形成粒子)烧结的温度(小于熔点)。
下面，重复在图9的(a)中表示的动作和在图9的(b)中表示的动作，完成三维造型物。
具体而言，如在图9的(c)中所表示的，从构成材料喷吐部1230中喷吐构成材料，并从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐支撑部形成用材料，从而在第二层的层502中形成构成层310及支撑层300。然后，如在图9的(d)中所表示的，通过加热部1700加热第二层的层502。
进一步地，如在图9的(e)中所表示的，在第三层的层503中形成构成层310及支撑层300，如在图9的(f)中所表示的，通过加热部1700加热第三层的层503，如在图9的(g)中所表示的，在第四层的层504中形成构成层310及支撑层300，如在图9的(h)中所表示的，通过加热部1700加热第四层的层504，从而完成三维造型物(熔融状态的构成层310)。
接着，使用流程图说明图9中表示的三维造型物的制造方法的一实施例。
在此，图10为本实施例所涉及的三维造型物的制造方法的流程图。
如在图10中表示的，在本实施例的三维造型物的制造方法中，首先，在步骤S110中取得三维造型物的数据。详细而言，例如从在个人计算机中执行的应用程序等中取得表示三维造型物的形状的数据。
接着，在步骤S120中创建每层的数据。详细而言，在表示三维造型物的形状的数据中，根据Z方向的造型分辨率进行切片，按每个截面生成位图(bitmap)数据(截面数据)。
此时，生成的位图数据为区分为三维造型物的形成区域与三维造型物的非形成区域的数据。
接着，在步骤S130中，根据形成三维造型物的形成区域的数据，从构成材料喷吐部1230中喷吐(供给)构成材料，形成构成层310。
接着，在步骤S140中，根据形成三维造型物的非形成区域的数据，从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐(供给)支撑部形成用材料，形成与在步骤S130中构成的构成层310对应相同的层的支撑层300。
需要注意的是，步骤S130与步骤S140的顺序既可以相反，也可以是同时。
接着，在步骤S150中，从加热部1700对在步骤S130中构成的构成层310及在步骤S140中构成的支撑层300所对应的层照射电磁波(赋予热能)，使该层中的构成层310熔融，并烧结支撑层300。
需要注意的是，在本步骤中，虽然使构成层310熔融并使支撑层300烧结，但也可以不使支撑层300烧结。
然后，重复步骤S130至步骤S160，直至通过步骤S160结束基于在步骤S120中生成的对应各层的位图数据的三维造型物的造型。
然后，当结束了三维造型物的造型时，在步骤S170中，进行三维造型物的显现(提取)(从对应于作为三维造型物的形成区域的构成层310的部分上除去对应于作为三维造型物的非形成区域的支撑层300的部分、即清洁三维造型物)，结束本实施例的三维造型物的制造方法。
接着，对使用上述的本实施方式所涉及的形成装置2000所进行的三维造型物的制造方法的另一实施例进行说明。
图11是表示使用形成装置2000所进行的三维造型物的制造过程的一个例子的概略图。需要说明的是，本例是不使用形成装置2000所具备的加热部1700，而是在与形成装置2000分体设置的未图示的恒温槽(加热部)中，在从构成材料喷吐部1230及支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐构成材料及支撑部形成用材料而结束了三维造型物的形状的形成之后，加热该三维造型物的形成物来制造三维造型物的三维造型物制造方法的例子。另外，在本实施例的三维造型物的制造方法中，制造熔融状态的三维造型物。
需要注意的是，在图11中，于Z方向画有多条辅助线，以便易于理解支撑层300及构成层310的厚度。
首先，如在图11的(a)中所表示的，从构成材料喷吐部1230中喷吐构成材料，并从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐支撑部形成用材料，从而在第一层的层501中形成构成层310及支撑层300。在此，支撑层300形成于该层中的三维造型物的形成区域(对应于构成层310的区域)以外的区域。
接着，如在图11的(b)中所表示的，从构成材料喷吐部1230中喷吐构成材料，并从支撑部形成用材料喷吐部1230’中喷吐支撑部形成用材料，从而在第二层的层502中形成构成层310及支撑层300。
然后，如在图11的(c)及图11的(d)中所表示的，重复在图11的(a)及图11的(b)中表示的动作，完成三维造型物的形状。
然后，如在图11的(e)中所表示的，在未图示的恒温槽中加热该三维造型物的形成物，使该三维造型物的形成物的构成层310熔融，并使支撑层300烧结，完成三维造型物(熔融状态的构成层310)。需要注意的是，本实施例中的该恒温槽中的加热温度设定为构成材料中含有的金属粒子(构成材料粒子)熔融的温度(熔点以上)、且支撑部形成用材料中含有的陶瓷粒子(支撑部形成粒子)烧结的温度(小于熔点)。
接着，使用流程图说明图11中表示的三维造型物的制造方法的一实施例。
在此，图12为本实施例所涉及的三维造型物的制造方法的流程图。
需要注意的是，图12的步骤S110至步骤S140及步骤S170与图10的步骤S110至步骤S140及步骤S170相同，因而省略说明。
如在图12中表示的，本实施例的三维造型物的制造方法中，在步骤S140结束后，前进至步骤S160。
然后，重复步骤S130至步骤S160，直至通过步骤S160而结束基于在步骤S120中生成的对应各层的位图数据的三维造型物的形成物的造型，当结束了三维造型物的形成物的造型时，前进至步骤S165。
在步骤S165中，对于重复步骤S130至步骤S160而形成的三维造型物的形成体，在未图示的恒温槽中使构成层310熔融，并使支撑层300烧结。需要注意的是，在本步骤中，虽然使构成层310熔融并使支撑层300烧结，但也可以不使支撑层300烧结。然后，在本步骤结束后，执行步骤S170，结束本实施例的三维造型物的制造方法。
如在上述的两个例子中所示，本实施例的三维造型物的制造方法具有使用包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物(构成材料)和包含支撑部形成粒子的流动性组合物(支撑部形成用材料)来形成层的层形成工序(步骤S130及步骤S140)，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部。而且，具有向构成材料粒子及支撑部形成粒子赋予能量的能量赋予工序(步骤S150及步骤S165)。并且，在能量赋予工序中，以使构成材料粒子及支撑部形成粒子的温度为构成材料粒子的熔点以上且不足支撑部形成粒子的熔点的温度的方式赋予能量。
为此，能够使三维造型物的构成材料熔融的同时又抑制支撑部的熔融，能够抑制由于也使三维造型物的对应区域以外的部分熔融而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。因此，能够减少形成了三维造型物之后的后处理工序。
换言之，本实施例的三维造型物的制造装置(形成装置2000)具有：喷吐部(构成材料喷吐部1230)，喷吐包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物(构成材料)；喷吐部(支撑部形成用材料喷吐部1230’)，喷吐包含支撑部形成粒子的流动性组合物(支撑部形成用材料)，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在形成三维造型物时支撑该三维造型物的支撑部；控制部(控制单元400)，控制使用包含构成材料粒子的流动性组合物和包含支撑部形成粒子的流动性组合物来形成层；以及能量赋予部(加热部1700)，向构成材料粒子及支撑部形成粒子赋予能量。而且，能量赋予部被调整为按如下这样赋予能量：使构成材料粒子及支撑部形成粒子的温度为构成材料粒子的熔点以上、且不足支撑部形成粒子的熔点的温度。
为此，能够使三维造型物的构成材料熔融的同时又抑制支撑部的熔融，能够抑制由于也使三维造型物的对应区域以外的部分熔融而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。因此，能够减少形成了三维造型物之后的后处理工序。
另外，本实施例的三维造型物的制造方法中的层形成工序(步骤S130及步骤S140)使包含构成材料粒子的流动性组合物及包含支撑部形成粒子的流动性组合物在液滴状态下喷吐而形成层。为此，能够通过形成层这一简单的方法来形成三维造型物。
并且，在本实施例的三维造型物的制造方法中，具有重复层形成工序(步骤S130及步骤S140)的层叠工序(步骤S130至步骤S160)。为此，通过重复层形成工序即可简单地形成三维造型物。
并且，本实施例的三维造型物的制造方法中的能量赋予工序(步骤S150及步骤S165)按如下这样赋予能量：即、使构成材料粒子及支撑部形成粒子的温度为支撑部形成粒子的烧结温度以上的温度。也就是说，使构成材料粒子熔融，而使支撑部形成粒子烧结。烧结部分相对于熔融部分来说能够简单地分离，因此能够减少形成了三维造型物之后的后处理工序。
并且，本实施例的三维造型物的制造方法中的层形成工序(步骤S130及步骤S140)被调整为使得在能量赋予工序(步骤S150及步骤S165)之后包含构成材料粒子的层的厚度与对应该层的、包含支撑部形成粒子的层的厚度一致。详细而言，预先计算由熔融所致的构成层的厚度变化(减少程度)和由烧结所致的支撑层的厚度变化(减少程度)，并计算两者变化的差异来调整各自的层厚(液滴的喷吐量)。为此，不需进行伴随支撑层与构成层的层厚不同的层厚调整等，能够简单地制造高精度的三维造型物。
并且，图10中表示的本实施例的三维造型物的制造方法中的能量赋予工序(步骤S150)是每当结束一层的层叠工序(步骤S130至步骤S160)便被执行。而且，图12中表示的本实施例的三维造型物的制造方法中的能量赋予工序(步骤S165)是在层叠工序(步骤S130至步骤S160)全部结束之后被执行。换言之，本实施例的三维造型物的制造方法中的能量赋予工序是在执行了一层或多层的层形成工序(步骤S130及步骤S140)之后被执行。例如，通过在执行了多层的层形成工序之后执行能量赋予工序，从而能够减少构成层形成工序的次数，能够快速地制造三维造型物。另外，通过按每一层地执行能量赋予工序，从而即使是在斜面部等上用一方的材料覆盖另一方的材料的配置时，由于各层中两材料在同一面上露出，因此，也可以恰当地对各材料赋予能量。
并且，本实施例的三维造型物的制造方法中的能量赋予工序(步骤S150及步骤S165)向构成材料粒子及支撑部形成粒子赋予同一能量(在步骤S150中，从加热部1700向构成材料粒子及支撑部形成粒子两者照射电磁波，在步骤S165中，于未图示的恒温槽中对构成材料粒子及支撑部形成粒子统一加热)。为此，能够简单地执行能量赋予工序。
不过，在能量赋予工序中，也可以向构成材料粒子及支撑部形成粒子赋予不同的能量。这是因为，通过赋予不同的能量，从而能够有效地抑制由于也熔融三维造型物的对应区域以外的部分而导致卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。
并且，在本实施例的三维造型物的制造方法中，于能量赋予工序(步骤S150及步骤S165)之后，包含构成材料粒子的层的孔隙率被调整为低于对应该层的、包含支撑部形成粒子的层的孔隙率。为此，能够抑制包含支撑部形成粒子的层的孔隙率过于变小而使卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。
并且，在本实施例的三维造型物的制造方法中，包含支撑部形成粒子的层的孔隙率被调整为在能量赋予工序(步骤S150及步骤S165)之后比在能量赋予工序之前更小。为此，支撑部的强度提高，具有在直至进行卸下三维造型物时的分离作业为止的工序中能够可靠地进行结构体的保持的优点。
并且，优选地，构成材料粒子为包括铝、钛、铁、铜、镁、不锈钢、马氏体时效钢中至少任一成分的粒子；支撑部形成粒子为包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锆中至少任一成分的粒子。这是因为，通过能量赋予工序，能够容易地控制成将构成材料粒子熔融并使支撑部形成粒子为低烧结密度，能够在确保三维造型物的强度的同时，抑制卸下三维造型物时的分离作业、卸下之后的成形作业等的负荷增大。
本发明并不局限于上述实施例，在不脱离其宗旨的范围内可通过各种构成来实现。例如，为了解决上述技术问题的一部分或全部、或者达到上述效果的一部分或全部，可对记载于发明内容部分的各方式中的技术特征所对应的实施例中的技术特征适当进行替换、组合。如果该技术特征在本说明书中不是作为必须特征被说明，则可将其适当删除。

Claims (12)

1.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，具有：
层形成工序，使用包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物和包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成层，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在所述三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部；以及
能量赋予工序，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予能量，
在所述能量赋予工序中，以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述构成材料粒子的熔点以上、且不足所述支撑部形成粒子的熔点的温度的方式来赋予能量。
2.根据权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
在所述层形成工序中，使所述包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物及所述包含支撑部形成粒子的流动性组合物在液滴的状态下喷吐而形成所述层。
3.根据权利要求1或2所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
所述制造方法还具有重复所述层形成工序的层叠工序。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
在所述能量赋予工序中，以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述支撑部形成粒子的烧结温度以上的温度的方式来赋予能量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
所述层形成工序被调整为使得在所述能量赋予工序之后包含所述构成材料粒子的层的厚度与对应该层的、包含所述支撑部形成粒子的层的厚度一致。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
在执行了一层或多层的所述层形成工序之后执行所述能量赋予工序。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
在所述能量赋予工序中，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予同一能量。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
在所述能量赋予工序中，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予不同的能量。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
在所述能量赋予工序后，包含所述构成材料粒子的层的孔隙率被调整为比对应该层的、包含所述支撑部形成粒子的层的孔隙率更小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
包含所述支撑部形成粒子的层的孔隙率被调整为在所述能量赋予工序之后比在所述能量赋予工序之前更小。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，
所述构成材料粒子为包括铝、钛、铁、铜、镁、不锈钢、马氏体时效钢中至少任一成分的粒子；所述支撑部形成粒子为包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锆中至少任一成分的粒子。
12.一种三维造型物的制造装置，其特征在于，具有：
喷吐包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物的喷吐部；
喷吐包含支撑部形成粒子的流动性组合物的喷吐部，其中，该包含支撑部形成粒子的流动性组合物形成在所述三维造型物的形成时支撑该三维造型物的支撑部；
控制部，控制使用所述包含三维造型物的构成材料粒子的流动性组合物和所述包含支撑部形成粒子的流动性组合物来形成层；以及
能量赋予部，向所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子赋予能量，
所述能量赋予部被调整为以使所述构成材料粒子及所述支撑部形成粒子的温度为所述构成材料粒子的熔点以上、且不足所述支撑部形成粒子的熔点的温度的方式来赋予能量。
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